[发明专利]多光程气体吸收腔及其痕量气体测量系统

说明书

本发明公开了一种多光程气体吸收腔：两个内表面为球面，外表面为圆柱面的环形球面镜，分别为第一环形球面镜和第二环形球面镜，所述第一环形球面镜和第二环形球面镜几何形状完全相同，且自下而上累叠；光束通过第一环形球面镜上的入射孔入射至腔内，在腔内y方向上的上下两个平面来回渡越2p‑1次，形成p等分两个环形球面镜圆周的两排在y方向上分开的反射光斑，其轨迹呈上下两层的p角星形状，从第二环形球面镜上的出射孔出射。在不改变入射角，不减小光斑间隔的情况下增大了光程。本发明还公开了相应的测量系统。

技术领域

本发明涉及气体吸收光谱定量分析技术领域，特别涉及一种多光程气体吸收腔及其痕量气体测量系统。

背景技术

气体吸收光谱测量法是监控大气中浓度水平在百万分之一(parts per million，以下简称ppm)体积分数到万亿分之一(parts per trillion,以下简称ppt)体积分数的痕量气体浓度的重要方法，其原理一般基于Beer-Lambert定律，即当一束平行光通过某一均匀非散射吸光物质时(如待测痕量气体)，其吸光度A(λ)与待测吸光物质的浓度C及探测光在吸光物质中通过的光程l成正比：

A(λ)＝ln[I₀(λ)/I(λ)]＝ln[1/T(λ)]＝σ(λ)Cl (1)

式(1)中的I₀(λ)和I(λ)分别为某特定波长λ上的入射吸收样品前的光强和通过样品后的透射光强，T(λ)为待测样品的透射比，即透射光强度与入射光强度之比，σ(λ)称为吸收样品在特定波长λ上的吸收截面。大气中各种痕量气体的吸收截面数据可以通过查询HITRAN等标准气体数据库得到，在吸收光程l已知的情况下，通过测量光强通过样品前后的变化得到吸收度A(λ)，就可以根据式(1)反演出待测气体的浓度。可以看出，在探测器能够测得的最小吸光度一定，吸收截面σ(λ)已知的情况下，能够反演出的最小浓度与吸收光程成反比，即气体吸收腔内的吸收光程l越长，仪器能够测得的气体最小浓度就越低，检出限越低，仪器探测灵敏度越高，因此增大吸收光程l是提升气体吸收光谱测量仪器性能的常用方法。

环形腔也是Chernin首先提出的多光程腔型，它仅由一个圆环形镜子组成，其内表面一般为球面，抛物面等具有聚焦光束能力的面型，光束从镜面侧壁上的入射孔以一定的入射角入射后，被另一端的镜面面反射聚焦，然后又发散开来，随后再次被镜面反射聚焦，经过一定次数(该次数仅与入射角相关)的反射后从出射孔出射，在腔内形成正多角星形的光束分布。

当出射孔的设置方式与入射孔重合时，此时入射光与出射光之间的夹角为入射角的2倍，这种情况下可以完全实现P-1(P为正多角星形的角数)次反射，且可以任意改变入射角度实现不同的反射次数，但当反射次数较大时，入射角相对较小，此时出射光束和入射光束在空间上高度重合，容易引起前置光学系统和后置光学系统之间的元件干涉。而且，现有技术中，为了增加光程，则减小入射角，此时正多角星形的角数会增多，则光斑间隔就会变小，因此干涉噪声就会增大。

发明内容

有鉴于此，本发明的发明目的是：在不改变入射角，不减小光斑间隔的情况下增大光程。

为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的：

本发明提供了一种多光程气体吸收腔，包括：两个内表面为球面，外表面为圆柱面的环形球面镜，分别为第一环形球面镜和第二环形球面镜，所述第一环形球面镜和第二环形球面镜几何形状完全相同，且自下而上累叠；

建立直角坐标系，以第一环形球面镜的曲率中心O₁和第二环形球面镜的曲率中心O₂的连线与两镜接合面垂直相交的交点为原点，以O₁O₂的连线为y轴，以两镜接合面为xoz平面，且光束的入射方向与z轴平行；