[发明专利]用于检测宽带吸收气体物质的同时积分腔输出光谱和衰荡测量

说明书

提供了用于测量在其中具有至少一种宽带吸收体组分和至少一种锁定组分的混合组分气体中的组分的值的系统和方法。所述系统使用积分腔输出光谱和腔衰荡光谱的组合来确定光谱仪的腔中的组分的测量值。当激光器调谐范围的光谱宽度被所述腔中的宽带吸收体的吸收带重叠时，在存在所述至少一种宽带吸收体组分和参考浓度值的情况下的腔衰荡被用来确定组分测量值。

相关申请交叉引用

本申请根据35 U.S.C.§365(c)要求2017年11月1日提交的美国专利申请No.15/800,582的权益和优先权，其公开内容在此通过引用被整体并入本文中。

技术领域

本申请涉及积分腔输出光谱和腔衰荡测量及此类光谱的多模式使用。

背景技术

腔衰荡光谱(CRDS)是用于小型光学吸收体的检测和定量的强有力工具。大多数CRDS仪器使用单模衰荡而不是多模以最大化灵敏度。然而，存在其中要求低成本、适度灵敏度，但必须保持激光波长以确保准确且无干扰测量的许多应用。此应用的一个示例是在下一代气体绝缘开关装置中宽带吸收体物质的测量。此外，随着SF₆替代物开始变得被公用事业采用，对能够量化诸如气体组分的浓度的测量的调试和服务设备的需求在增加。即便如此，CRDS要求准确的波长以确保激光衰荡事件发生在正确的波长。CRDS仪器为此目的典型地使用昂贵且复杂的波长监视器。

发明内容

一种用于确定混合组分气体中组分的测量值的系统，该混合组分气体中具有至少一种宽带吸收体组分和至少一种锁定组分。该系统具有：用于接收混合组分气体物质的腔；用于在腔中提供特定光谱位置和宽度的光束的激光器，激光器被配置成在光谱宽度上被调谐，其中激光器调谐范围的光谱终点相对于该至少一种锁定组分的吸收线的波长和频率被锁定；用于在腔内提供光束的反射的多个镜子；用于测量光束的检测器；以及处理单元，用于基于在存在该至少一种宽带吸收体组分的情况下基于腔衰荡来确定组分的测量值和在腔不含该至少一种宽带吸收体组分时确定参考浓度值；并且其中该激光器调谐范围的光谱宽度与腔中的宽带吸收体的吸收带重叠，并且其中在腔衰荡期间光射出腔时，确定由于宽带组分的吸收而导致的时间光强度降低。

一种用于确定气体混合物中宽带吸收体组分的测量值的方法，具有以下步骤：在由至少一个镜子限制的腔中反射光束，腔含有宽带吸收体组分和存在于混合组分气体中的至少一种锁定组分；测量在腔中光束在与气体混合物相互作用后的吸光度；由处理器确定混合组分气体中的该至少一种锁定组分的至少一个吸收峰；相对于该至少一种锁定组分的吸收峰的波长和频率，锁定光束的光谱位置；在宽带吸收体组分以至少一个衰荡痕迹(ringdown trace)值的形式吸收辐射时测量光强度随时间的衰减；并且由处理器基于在存在宽带吸收体组分的情况下的衰荡痕迹和在没有宽带吸收体组分的情况下表示腔的衰荡的腔参考值来确定宽带吸收体组分的测量值。

一种用于确定气体混合物中宽带吸收体组分的测量值的方法，该方法具有以下步骤：在由至少一个镜子限制的腔中反射光束，腔含有气体混合物，其具有存在于混合组分气体中的宽带吸收体组分；将锁定组分注入腔中的混合组分气体；测量在腔中在光束在与气体混合物相互作用并且通过镜子射出腔时光束的吸光度；由处理器确定混合组分气体中的该至少一种锁定组分的至少一个吸收峰；相对于该至少一种锁定组分的吸收峰的波长和频率，锁定光束的光谱位置；在宽带吸收体组分以至少一个衰荡痕迹的形式吸收辐射时测量光强度随时间的衰减；并且由处理器基于在存在宽带吸收体组分的情况下的衰荡痕迹和在没有宽带吸收体组分的情况下表示腔的衰荡的腔参考值来确定宽带吸收体组分的测量值。

附图说明

在附图中，图示了结构实施例，其与下面提供的详细描述一起，使用借助于其窄带吸收线由宽带吸收体的更宽吸收线调节的锁定组分而用于衰荡测量的激光波长的锁定，描述了组合的积分腔输出光谱(ICOS)和CRDS的示例性实施例。本领域普通技术人员将领会到，附图中图示的单个组件可以被设计为其它实施例中的多个组件，和/或附图中图示的多个组件可以被设计为其它实施例中的单个组件。