[发明专利]一种腔增强式空气中重金属含量检测装置

说明书

技术领域

本发明属于光学技术领域，涉及一种检测空气中重金属含量的装置，特别是一种腔增强式空气中重金属含量检测装置，主要环境监测、节能减排、工业过程控制等领域中的空气中悬浮重金属的含量检测。

背景技术

重金属一般指原子密度大于或等于5×10^-3kg/m³的金属元素，如汞、铅、镉、铬、金、银、铜等，约有45种。有毒重金属是指某些重金属通过食物进入人体，干扰人体正常生理功能，危害人体健康。这类重金属主要有汞、铬、镉、铅、锌、锡等。例如，铅是人体非必需的物质，而且很容易在人体内富集，而不易排出。重金属污染是“十一五”凸显的重大环境问题，《重金属污染综合防治“十二五”规划》得到国务院批复，成为第一个“十二五”国家规划。重金属含量检测需求广泛存在于环境监测、节能减排、工业过程控制等领域中。

在先技术中，对重金属的检测方法主要有原子吸收光谱法、原子发射光谱法和原子荧光光谱法。原子吸收光谱法具有灵敏度高、选择性好、稳定性好等特点，但是受化学干扰严重，重复性和准确性差，要做样品的预先处理，测试完成后要除去残留物质。原子发射光谱法，具有分析速度快、重复性好、可同时检测多种元素等优点，但同样易受化学干扰，一般多用于固体金属的分析，而基于等离子体的发射光谱分析可以检测液体，但是分析速度慢。原子荧光光谱法具有分析精确，选择性好，检出限低，线性范围宽，干扰少等优点，但是原子荧光光谱分析仪结构复杂，需要原子化装置，要对样品进行预处理。以上方法都不能够连续在位地检测空气中重金属含量。另外，在先技术中还存在一种空气中重金属含量检测装置，参见发明专利一种检测空气中悬浮铅含量的装置，专利号为ZL200910097973.0，此发明虽然具有一定的优点，但是存在本质不足：激光束单次经过被测空间，光能利用率低；能被激光诱导的荧光的被测区域小，系统测试结果波动性有限；激光诱导的荧光信号弱，并且由双面反射镜反射后再收集荧光信号，荧光信号进一步减弱。所以，此发明在本质上无法实现空气中重金属含量的高灵敏度检测。

发明内容

本发明的目的在于针对上述技术的不足，提供一种腔增强式空气中重金属含量检测装置，具有光能利用率高、稳定性好、可靠性高、在线原位监测，不需要预处理和原子化部件，激光诱导的荧光信号强，可以实现高灵敏度空气中重金属含量检测等特点。

本发明的基本构思是：利用激光斜入射腔增强原理，由两个球面反射镜构成光学稳定腔，其中一个球面反射镜的离轴位置上设置有透光孔，激光束经过小孔斜入射到光学稳定腔中，在光学稳定腔中多次反射，激光束经过区域中的重金属样品在受激吸收光子后释放出荧光，荧光经滤波后，被光学稳定腔侧面设置的光束会聚元件收集，输入到光谱检测仪器中，光谱检测仪器检测重金属的特征谱线强度，得到空气中重金属的含量。此方法无需原子化、系统简单、稳定性好、可靠性高、在线原位检测，检测灵敏度高。

本发明包括激光光源、入射球面反射镜、出射球面反射镜、侧面反射镜、滤光片、光束会聚元件、光谱检测仪器。入射球面反射镜和出射球面反射镜的对称轴重合设置，入射球面反射镜和出射球面反射镜均位于球面内侧，入射球面反射镜反射率和出射球面反射镜反射率均高于90%；入射球面反射镜的球面曲率半径为R₁，射球面反射镜的球面曲率半径为R₂，入射球面反射镜和出射球面反射镜的反射球面中心点间距为d，R₁、R₂和d三者满足关系为0<(1-d/R₁)(1-d/R₂)<1，入射球面反射镜和出射球面反射镜构成光学稳定腔；入射球面反射镜的离轴位置上设置有透光孔，入射球面反射镜的与出射球面反射镜一侧相对的另一侧设置有激光光源，激光光源出射光束经过入射球面反射镜的透光孔斜入射到由入射球面反射镜和出射球面反射镜构成的光学稳定腔中，入射球面反射镜上的透光孔与入射球面反射镜和出射球面反射镜的对称轴构成切向平面，激光光源出射光束方向与切向平面存在夹角；入射球面反射镜和出射球面反射镜构成光学稳定腔的侧面一方同轴地依次设置有滤光片、光束会聚元件和光谱检测仪器，滤光片、光束会聚元件和光谱检测仪器所在的对称轴与光学稳定腔的对称轴相交；在滤光片、光束会聚元件和光谱检测仪器所在的对称轴与光学稳定腔的对称轴决定的平面上，光学稳定腔的侧面另一方向设置有侧面反射镜。

所述的入射球面反射镜上的透光孔直径大于激光光源出射光束直径。

所述的入射球面反射镜和出射球面反射镜的外径尺寸均大于光束直径的20倍。