ppb级基于量子级联激光器光声光谱技术痕量气体检测仪

5.2μm量子级联激光器光腔衰荡光谱技术的痕量水汽检测周胜;韩艳玲;李斌成【期刊名称】《光谱学与光谱分析》【年(卷),期】2016(036)012【摘要】高纯气体中水汽含量是半导体工业生产中的一个重要参数，气体中残余水汽含量即使是 ppbv量级也会对产品质量产生影响。

气体在中红外区域具有更丰富的特征谱线，在该区域对水汽含量进行检测十分必要。

宽调谐范围、高输出功率和窄线宽量子级联激光器的快速发展，推动了该区域红外光谱检测技术的发展。

首次在中红外波段，采用5.2μm可调谐量子级联激光器，基于连续光腔衰荡光谱技术建立了痕量水汽的检测装置，并开展了痕量水汽检测实验。

通过阿伦方差分析系统噪声水平，确定了光腔衰荡信号最优平均次数为602次。

根据HITRAN数据库，模拟实验条件下1905~1925 cm-1范围内水汽的吸收截面，选取最佳的检测谱线位置。

在常压和室温下，对1918 cm-1附近的水汽吸收光谱进行测量，测定高纯氮气中的痕量水汽浓度，检测结果与标称值一致。

在腔镜反射率为99.93%时水汽的检测灵敏度达到24.8 ppbv。

分析结果表明，中红外高灵敏痕量气体检测技术在工业监测、环境检测以及医学诊断等领域具有很好的应用前景。

%Trace moisture concentration in high-purity gases is an important parameter in semiconductor manufacturing because many manufacturing processes are sensitive to moisture even on the level of parts per billion by volume (ppbv).Detection of trace moisture in mid-infrared spectral region is beneficial due to more abundant and stronger spectral lines in this region.Re-cently,Quantum cascade lasers (QCLs)with high outputpower,narrow line-width,and high reliability have been developing rapidly and have become promising light sources for sensitive spectroscopic measurements.By employing a 5.2μm external-cavi-ty tunable quantum cascade laser,a continuous-wave cavity ring-down spectroscopy (CRDS)experimental setup is established and applied to detect trace moisture in high-purity nitrogen gas.In the experiment,the CRDS signal is averaged to improve the detection sensitivity,and the optimal averaging number is determined by Allan variance calculation to be 602.For trace moisture detection,the absorption cross-section of H2 O in the spectral range between 1 905 and 1 925 cm-1 is simulated according to the HITRAN database and the optimal detection spectral line ischosen.Detected at 1 918 cm-1 absorption line at 296 K temperature and 1 atm pressure,the measured moisture concentration is in good agreement with the nominal value,and the minimum detecta-ble moisture concentration of 24.8 ppbv is achieved when cavity mirrors with reflectance of 99.93% are used.The experimental results show that mid-infrared cavity ring-down spectroscopy technique has great potential in a wide variety of applications,such as industrial productioncontrol,environmental monitoring and health diagnosis,etc.【总页数】5页(P3848-3851,3852)【作者】周胜;韩艳玲;李斌成【作者单位】中国科学院光电技术研究所，四川成都 610209; 中国科学院大学，北京 100049;中国科学院光电技术研究所，四川成都 610209;中国科学院光电技术研究所，四川成都 610209; 电子科技大学光电信息学院，四川成都 610054【正文语种】中文【中图分类】O433.5【相关文献】1.光腔衰荡光谱技术及其在痕量气体分析中的应用 [J], 林宇巍2.基于量子级联激光器光腔衰荡光谱技术的痕量氨气检测 [J], 曲哲超;李斌成;韩艳玲3.光腔衰荡光谱技术应用于痕量气体检测的研究进展 [J], 王晓华;王凯迪;余锦;贾慧民;貊泽强;王金舵;唐吉龙;方铉;魏志鹏4.光腔衰荡光谱技术测定大气水汽稳定同位素校正方法研究 [J], 顾小琴;庞洪喜;李亚举;张王滨;王佳佳5.基于光腔衰荡光谱技术的痕量甲烷检测 [J], 宋绍漫;颜昌翔因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

Aerovia基于量子级联激光器光声光谱技术痕量气体检测仪与竞争产品比较一，Aerovia：1，利用量子级联激光器测试气体的饱和吸收线：-在一般情况下，原子处于能量最低状态（最稳定态），称为基态（ E 0 = 0）。

当原子吸收外界能量被激发时，其最外层电子可能跃迁到较高的不同能级上，原子的这种运动状态称为激发态。

处于激发态的原子很不稳定，大约在10-8~10-7s，便返回到基态（或较低能态），此时，原子若以电磁波的形式把能量释放出来，产生发射光谱。

-不同元素的原子从基态激发至第一激发态(或由第一激发态跃迁返回基态)时，吸收(或发射)的能量不同，因而各种元素的共振线不同而各有其特征性，所以这种共振线是元素的特征谱线。

对大多数元素来说，共振线也是元素最灵敏的谱线。

==》》测试更加准确（检测限高至少5个数量级）==》》能测试的范围大（ppb up to 10000ppm range），取决于激光器的贷款。

2，利用Microphone技术-Aerovia利用对应波长的激光器，激光器的功率非常高以允许很高的灵敏度和很短的反馈时间。

最终被记录的光声信号相对于不同气体的浓度是直接的成比例的。

-使用两个MICROPHONE,直接消除噪音和干扰。

==》》测试精确，没有干扰；==》》测试结果直接出；3，让气体通过设备，直接测试出结果。

可连续测试，只要有气体通过我们的设备，设备是开的，测试出只需10-15秒。

==》》测试速度快；==》》开放环境中使用，可连续测试，只要有气体通过我们的设备，设备是开的。

4，无机械部分，无需机械维护。

二，其他公司1，不是利用激光器测试，而是利用过滤器==》》无法产生高分辨率测量，因为测量气体的相互干扰（因为一个filter不可能把其他波长的光全部过滤掉）==》》测试的带宽小。

2，测试时，需要调节到对应一个filter上。

然后，再归位，调节测试去测另外一种气体。

如果测9种气体，最好情况下测试一种气体需要30秒，中间间隔需要5分钟。

基于中红外分布反馈量子级联激光器的光声光谱技术用于痕量甲烷气体检测谭松;刘万峰;王利军;张锦川;李路;刘俊岐;刘峰奇;王占国【摘要】There have been considerable interests in methane detection based on infrared absorption spectroscopy for industrial and environment monitoring. The authors report on the realization of photoacoustic detection of methane (CH4) using mid-infrared distributed-feedback quantum cascade laser (DFB-QCL). The absorption line at 1 316. 83 cm-1 was selected for CH4 detection, which can be reached by the self-manufactured DFB-QCL source operating i n pulsed mode near 7. 6 μm at room-temperature. The CH4 gas is filled to a Helmholtz resonant photoacoustic cell, which was equipped with a commercial electret microphone. The DFB-QCL was operated at 234 Hz with an 80 mW optical peak power. A detection limit of 189 parts per billion in volume was derived when the signal-to-noise ratio equaled 1.%由于工业监控和环境检测的需要,甲烷气体检测日益得到人们的关注.研究了基于中红外分布反馈量子级联激光器(DFB-QCL)的光声光谱技术,并应用于痕量甲烷的检测.自主研发的DFB-QCL 室温工作时的激射波长在7.6μm附近,覆盖了甲烷的特征吸收谱线1 316.83 cm-1.待测甲烷气体充入亥姆霍兹光声谐振腔中,DFB-QCL的工作频率为234 Hz、室温脉冲工作时峰值功率为80 mW.中红外光经过甲烷吸收后,产生的声波信号经麦克风检测,由锁相放大器对信号进行采集并输入计算机进行处理.按信噪比为1计算,得到甲烷的探测极限为189 nmol·mol-1.【期刊名称】《光谱学与光谱分析》【年(卷),期】2012(032)005【总页数】4页(P1251-1254)【关键词】甲烷;分布反馈;量子级联激光器;光声光谱法;痕量气体检测【作者】谭松;刘万峰;王利军;张锦川;李路;刘俊岐;刘峰奇;王占国【作者单位】中国科学院半导体研究所,半导体材料科学重点实验室,北京100083;清华大学物理系,北京 100084;中国科学院半导体研究所,半导体材料科学重点实验室,北京100083;中国科学院半导体研究所,半导体材料科学重点实验室,北京100083;中国科学院半导体研究所,半导体材料科学重点实验室,北京100083;中国科学院半导体研究所,半导体材料科学重点实验室,北京100083;中国科学院半导体研究所,半导体材料科学重点实验室,北京100083;中国科学院半导体研究所,半导体材料科学重点实验室,北京100083;中国科学院半导体研究所,半导体材料科学重点实验室,北京100083【正文语种】中文【中图分类】O657.3甲烷是一种易燃易爆危险气体，是矿山开采、工业领域中爆炸事故的罪魁祸首。

万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据采用7.5μm中红外量子级联激光器的痕量甲烷气体检测仪作者：陈晨， 党敬民， 黄渐强， 杨悦， 王一丁， CHEN Chen， DANG Jing-min， HUANG Jian-qiang， YANG Yue，WANG Yi-ding作者单位：吉林大学电子科学与工程学院,吉林长春,130012刊名：光谱学与光谱分析英文刊名：Spectroscopy and Spectral Analysis年，卷(期)：2012,32(11)1.Svanberg S查看详情 1996(1-3)2.Gianfrani L;Sasso A;Tino G M查看详情 1997(1-3)3.Iseki T查看详情 2004(08)4.Massie C;Stewart G;McGregor G查看详情 2006(02)5.Filho M B;da Silva M G;Sthel M S查看详情 2006(20)6.Fried A;Diskin G;Weibring P查看详情 2008(03)7.Namjou K;Cai S;Whittaker E A查看详情 1998(03)8.Kosterev A A;Curl R F;Tittel F K查看详情 1999(23)9.McManus J B;Zahniser M S;Nelson D D查看详情 2011(04)10.Tuzson B;Zeeman M J;Zahniser M S查看详情 2008(03)11.Roller C;Kosterev A A;Tittel F K查看详情 2003(21)12.Dutronc P;Lucat C;Menil F查看详情 1993(1-3)13.Chan K;Ito H;Inaba H查看详情 1984(19)14.陈晨;黄渐强;吕墨查看详情 2011(06)15.Chen C;Li L;Dong C查看详情 201016.Ye W L;Zheng C T;Yu X查看详情 2011(01)i W C;Chakravarty S;Wang X L查看详情 2011(06)18.Rothman L S;Jacquemart D;Barbe A查看详情 2005(02)引用本文格式：陈晨.党敬民.黄渐强.杨悦.王一丁.CHEN Chen.DANG Jing-min.HUANG Jian-qiang.YANG Yue.WANG Yi-ding采用7.5μm中红外量子级联激光器的痕量甲烷气体检测仪[期刊论文]-光谱学与光谱分析 2012(11)。

ＤＯＩ:１０.１９３９２/ｊ.ｃｎｋｉ.１６７１￣７３４１.２０１９３５００４基于光声光谱技术的ＳＦ６气体检测及运用罗东君国网河南省电力公司技能培训中心㊀河南郑州㊀４５００００摘㊀要:光声光谱技术的ＳＦ６气体检测是一种有效的技术手段ꎬ在实践中应用广泛ꎮ文章主要对基于光声光谱技术的ＳＦ６气体检测及运用进行了简单的分析论述ꎮ关键词:光声光谱技术ꎻＳＦ６气体ꎻ检测及运用㊀㊀六氟化硫(ＳＦ６)气体具有良好的绝缘以及灭弧性能ꎬ在气体绝缘电器中应用相对较为广泛ꎮ六氟化硫是一种无色㊁无臭㊁无毒㊁不燃的稳定气体ꎮ其在常温常压状态之下呈现气态ꎬ六氟化硫分子结构具有较高的稳定性ꎮ１光声光谱技术的ＳＦ６气体系统总体设计１.１系统组成基于以上原理设计光声光谱ＳＦ６检测系统ꎬ此系统是通过红外热辐射光源㊁滤光片以及自制等共振光声池㊁计算机等中系统构成ꎮ红外热辐射光源发射较为稳定的红外光ꎬ通过特定波段的滤光片则可以形成单色光ꎬ利用斩波器通过ω频率可以实现调制ꎬ然后射入到光声池中ꎬ在产生光声效应之后依旧会发出频率为ω声波ꎮ而通过高灵敏度的微音器可以测得其光声信号ꎮ然后其送入参考信号的频率为ω的锁相放大器进行光声信号检测分析ꎮ通过ＳＴＭ３２单片机对其进行采集分析ꎬ通过上位机对其进行后续的处理ꎮ１.２谱线选择以及滤光片参数设计分析通过光声光谱技术进行检测分析ꎬ要分析可以满足检测条件的最佳线谱线的位置ꎮ在一般状况之下ＳＦ６气体检测环境中会含有二氧化碳等一些浓度较高的干扰性气体ꎬ利用谱线选择分析可以及时排除存在的干扰性气体则可以有效的提升检测的精度ꎮ通过数据库查询分析ꎬＳＦ６吸收谱线主要集中的区域范围中ꎬ干扰性气体的吸收谱线强度整体上来说分布相对较弱ꎬ也就是说ꎬ进行ＳＦ６气体检测过程中ꎬ虽然在空气中的水分含量高达１％ꎬ但是要选择其作为气体检测的主要吸收区域ꎬ则可以有效表面各种干扰性气体的影响ꎮ滤光片作为一种有效的方式可以有效的在有效宽带之外的波段光的透过ꎬ在进行参数选择过程中要综合气体吸收谱线的特征区域合理选择ꎬ保障其宽度可以覆盖整个区域范围ꎮ１.３光声光谱技术的ＳＦ６气体光源的选择光源是一种光声光谱信号激发源ꎬ对于系统设计来说具有重要的价值与作用ꎮ进行ＳＦ６气体检测开发中ꎬ要保障光源符合检测指标要求ꎬ同时要综合成本㊁体积等因素信息ꎮ因为ＳＦ６检测通过吸收光谱谱线中线位置为９４７.５ｃｍ￣１的位置ꎬ此位置处于中红外ꎬ因此光源要综合分析以二氧化碳激光器㊁量子级联激光器㊁宽带红外热辐射光源ꎮ其中二氧化碳激光器是一种应用较早的气体类型激光器ꎬ主要就是利用９.６μｍ~１０.６μｍ的振波进行处理ꎬ其发射功率相对较高ꎬ可以有效的满足ＳＦ６气体检测的灵敏度要求ꎮ但是此种类型的激光器体积相对较为庞大ꎬ其价格较为昂贵ꎬ在线检测操作较为困难ꎮ量子级联激光器是近些年比较应用的一种宽谱带以及高输出光功率㊁便于调谐㊁体积相对较小的激光器ꎬ其价格相对较为昂贵ꎬ广泛推广相对较为困难ꎮ宽带热辐射光源可以充分的激发１μｍ~２０μｍ的光ꎬ可以有效的满足多数气体分子的检测ꎬ体积相对较小ꎬ成本较为低廉ꎬ此种光源的光功率相对较低ꎮ对此ꎬ主要将红外热辐射光源作为主要光源ꎮ２基于光声光谱技术的ＳＦ６气体检测及运用基于光声光谱技术的ＳＦ６气体检测在实践中具有在线检测的功能ꎬ可以进行现场检测气路ꎬ其主要运用如下:２.１光声光谱技术的ＳＦ６气体在线检测结构通过工控机利用ＮＩ６００８数据采集卡进行气路㊁测量机构以及送回气路控制以及对应的信息数据采集整理ꎬ将采集到的数控通过工控机搭载的软件系统进行各个设备单元的管理ꎬ进行数据汇总分析ꎬ通过测试数据实现综合性的分析ꎬ将在终端的在线检测界面实时传输到局域网的任意计算机中ꎬ则可以实现远程访问ꎮ其主要功能主要有实时化的数据显示ꎬ可以通多次的数据构成趋势图㊁进行历史数据查询与分析ꎬ实现数据标定分析ꎬ根据设定的阈值报警分析ꎬ进行气体组分增长速率计算分析ꎬ实现指导设备的状态检修处理ꎬ可以实现对现场数据的远程化实时性的检测分析ꎮ２.２光声光谱技术的ＳＦ６气体现场检测气路现场测量气路主要通过本体取样ꎬ可以将测量机构检测之后的气体送到设备本体中进行循环的检测分析ꎮ在现场测量中通过自循环气路ꎬ可以有效的保障气体的密封性ꎬ避免出现排放以及泄露等问题ꎬ采取样本具有代表性ꎮ系统利用拓扑机构可以有效的保障现场工矿机采集以及处理数据可以实现实时性的传输ꎬ可以传递给局域网以及任意计算机ꎬ具有远程性的实时查看以及报警等功能ꎮ通过构建生传输线模型ꎬ可以实现对光声腔集合参数信息㊁谐振频率以及品质因子等参数通过计算机进行计算与分析ꎬ可以为优化光声腔提供精准的数据以及理论性支撑ꎬ可以有效的提升装置对痕量气体检测的精准度以及灵敏度ꎮ通过对测量隔室进行恒温处理分析ꎬ扣除噪声背景ꎬ可以获得ＧＩＳ局部的特征ꎬ可以将其分解为ＣＯ㊁ＳＯ２㊁ＣＦ４等线性拟合曲线ꎬ可以实现三种分解组分定量在线检测ꎬ检测极限相对较低ꎮ３结语传统的方式无法分析ＳＦ６故障诊断早期阶段出现的潜伏性绝缘故障ꎬ通过ＧＩＳ内部进行ＳＦ６气体的组分分析ꎬ可以发现设备中的潜伏想故障问题ꎬ可以初步地进行故障定位ꎬ这也是现阶段研究的重点ꎮ参考文献:[１]陈珂ꎬ袁帅ꎬ宫振峰.基于激光光声光谱超高灵敏度检测ＳＦ６分解组分Ｈ＿２Ｓ[Ｊ].中国激光ꎬ２０１８ꎬ４５(０９):１３８￣１４４.[２]郭红ꎬ王新兵ꎬ左都罗.基于可调谐ＣＯ＿２激光器的ＳＦ６差分光声检测研究[Ｊ].激光技术ꎬ２０１８ꎬ４２(０５):１５￣２０.[３]许宁ꎬ李振华.ＧＩＳ气体光声光谱法检测技术研究[Ｊ].通信电源技术ꎬ２０１８ꎬ３５ꎬ１７１(０３):２７￣２９.５㊀科技风２０１９年１２月科技创新。

大连理工大学科技成果——高灵敏度光声光谱微量气体检测仪
一、产品和技术简介
高灵敏度光声光谱微量气体检测仪是国家自然科学基金资助的研究成果。

该检测仪采用可调谐波导CO2激光器作为光源，光谱覆盖范围9.2～10.8μm；在激光腔内放置纵向共振式光声池，使用于激发光声信号的激光功率达到100W，因而光声检测灵敏度较常规腔外光声光谱仪提高近两个数量级。

该检测仪采用计算机控制自动、连续进行激光谱线扫描、光谱数据采集、数据处理和气体浓度实时显示。

检测仪对乙烯气体浓度的检测灵敏度可达到0.2ppb，对氨气、臭氧及多种有机气体的检测灵敏度均达到ppb数量级，并能够同时进行多种微量气体浓度的分析测量。

与气相色谱仪相比，该光声光谱微量气体检测仪具有测量灵敏度高、时间分辨快和能够连续自动测量的特点，适用于大气环境监测、果蔬气调贮藏库气体分析和监测及与生物组织微量气体交换有关的生物学实验研究。

二、应用范围
1、作为环境监测站大气环境质量监测设备。

2、作为果蔬气调贮藏库气体分析和监测设备。

3、应用于与生物组织微量气体交换有关的生物学实验研究。

作为生物学实验室的一种新的微量气体检测设备。

4、半导体芯片生产车间空气质量（氨气）监测，肾功能衰竭患者血液透析过程监测等。

具备精密机械加工条件。

三、规模与投资
初期小批量生产时需设备投资60万元。

整个光、机、电系统成本低于10万元。

四、提供技术的程度和合作方式
技术入股、技术转让及其它。

基于化学发光法的高纯气体中ppb量级NO_(x)浓度测量张猛;彭志敏;杨乾锁;丁艳军;杜艳君【期刊名称】《物理学报》【年(卷),期】2022(71)13【摘要】高纯气体在半导体器件制作及燃料电池等行业应用广泛,但其杂质气体直接对加工精度及效果产生显著影响,因此对关键痕量杂质气体进行浓度诊断尤为必要.本文基于化学发光光谱理论和氮氧化物催化转化机理,设计了一套痕量NO/NO_(x)同步高精度测量系统,通过标定实验可知,该测量系统具有高线性度(R^(2)=0.99967)、高灵敏度、低检测下限(约25 ppt,1 ppt=10^(–12))、易操作性等优势;同时,综合考虑不同背景气体对荧光、磷光的淬灭效应,建立不同高纯气体中NO_(x)测量方法,并利用该探测系统对实验室常用4种高纯气体(Ar,O_(2),CO_(2),N_(2))中ppb量级的氮氧化物进行测量,结果表示CO_(2)中的NO含量最高,约为9 ppb(1 ppb=10^(–9)),其他高纯气体中的NO含量较低,仅有0—4 ppb,4种高纯气体的NO_(2)含量均较低(<6 ppb);最后结合气体制备及提纯方式对高纯气体中杂质NO_(x)含量进行评价及分析,旨在为燃料电池、半导体器件制备等尖端科技领域提供可靠的杂质气体成分诊断方法和数据基础.【总页数】9页(P368-376)【作者】张猛;彭志敏;杨乾锁;丁艳军;杜艳君【作者单位】华北电力大学控制与计算机工程学院;中国科学院大学工程科学学院;中国科学院力学研究所;清华大学能源与动力工程系【正文语种】中文【中图分类】O65【相关文献】1.高纯气体的分析：———高纯气体中总烃的测定2.高纯气体的分析：高纯气体中痕量氢气的测定3.基于高纯锗γ谱仪测量高氡浓度的方法4.基于高精度光学腔测量气体中痕/微量NO_(2)的方法5.基于取向生长NiO纳米片的室温响应ppb级NO_(2)气体传感器因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。