[科普中國]-積分吸收

分子吸收光譜寬帶上的任意各點(diǎn)是與不同的能級(jí)躍遷（主要是振轉(zhuǎn)能級(jí)不同）相聯(lián)系的，其吸收系數(shù)與分子濃度成正比。而原子吸收線輪廓是同種基態(tài)原子在吸收其共振 輻射時(shí)被展寬了的吸收帶，原子吸收線輪廓上的任意各點(diǎn)都與相同的能級(jí)躍遷相聯(lián)系。 因此，基態(tài)原子濃度與吸收線輪廓所包括的面積（稱為積分吸收）成正比。

定義若光強(qiáng)為的特征譜線通過厚度為l的原子蒸氣時(shí)，一部分光被吸收，透過光的強(qiáng)度 為，與紫外-可見分光光度法中一樣，與 服 從 Lambert定律，即

是吸收系數(shù)，它與入射光的頻率、基態(tài)原子濃度及原子化溫度等有關(guān)。 分子吸收光譜寬帶上的任意各點(diǎn)是與不同的能級(jí)躍遷（主要是振轉(zhuǎn)能級(jí)不同）相聯(lián)系的，其吸收系數(shù)與分子濃度成正比。而原子吸收線輪廓是同種基態(tài)原子在吸收其共振輻射時(shí)被展寬了的吸收帶，原子吸收線輪廓上的仃意各點(diǎn)都與相同的能級(jí)躍遷相聯(lián)系。 因此，基態(tài)原子濃度與吸收線輪廓所包括的面積（稱為積分吸收）成正比。吸收線的積分吸收(integrated absorption)數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中，c是光速 ；m，e分別為電子的質(zhì)量和電荷 ；f 是振子強(qiáng)度，表示能被人射光激發(fā)的每個(gè)原子的平均電子數(shù)；是單位體積內(nèi)能夠吸收頻率為±范圍內(nèi)輻射的基態(tài)原子數(shù)目，因激發(fā)態(tài)原子數(shù)目所占比例非常少，。在一定條件下，對(duì)于給定的元素，f 可為定值，式 中 TT、e、m、c 為常數(shù)，用K表示?？梢钥闯?，積分吸收與被測(cè)元素原子的總數(shù)N呈簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。1

但由于大多數(shù)元素的收線的半寬度為 左右 ,測(cè)定如此窄的積分收要求單色器的分辨率達(dá)50萬以上的色散儀，這是長(zhǎng)期以來未能實(shí)現(xiàn)積分測(cè)量的原因?，F(xiàn)代技術(shù)已解決了積分測(cè)最的技術(shù)問題，但是為了降低成本，仍然采用低分辨率的色散儀，以峰值吸收測(cè)量法代替積分吸收法進(jìn)行定量分析。1

應(yīng)用舉例為了滿足氮氧化物工業(yè)排放濃度檢測(cè)和氮氧化物排放總量控制的要求，本文基于積分光譜技術(shù)對(duì)二氧化氮?dú)怏w濃度進(jìn)行了檢測(cè)。建立了基于積分吸收光譜技術(shù)的氣體分析方法和光學(xué)參量與氣體濃度之間的關(guān)系。研究了積分吸收光譜技術(shù)的探測(cè)限、零點(diǎn)漂移、量程漂移和測(cè)量誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在信噪比為2 時(shí)二氧化氮?dú)怏w探測(cè)限為1 mg /。零點(diǎn)漂移小于1 mg /，滿量程漂移小于0.6%，最大相對(duì)誤差為0． 5%。證明了基于積分吸收光譜技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)固定污染源排放氣體濃度的高精度直接檢測(cè)。2

二氧化氮濃度檢測(cè)裝置圖 1所示為二氧化氮濃度測(cè)量的實(shí)驗(yàn)裝置，光源采用鎢燈，其（鎢燈）發(fā)射光譜如圖2所示，在 420 ~510 nm具有較平坦的發(fā)射譜，在此波段二氧化氮?dú)怏w的吸收截面在350 ~550 nm波段具有較強(qiáng)的震蕩吸收，鎢燈適合作為二氧化氮測(cè)量光源。鎢燈發(fā)射光經(jīng)過石英透鏡變成平行光，平行光經(jīng)過一個(gè)端口為石英的氣體池，再次經(jīng)過石英透鏡耦合入光纖，因?yàn)槎趸獨(dú)怏w具有毒性，實(shí)驗(yàn)屮使用的為密閉樣品池，樣品池長(zhǎng)度 1 m；探測(cè)器選用了性能優(yōu)越的Maya2000pro光譜儀，光譜儀光譜范圍是 410 ~530 nm，光譜分辨率是0.13nm，經(jīng)過光纖光譜儀探測(cè)到的光譜數(shù)據(jù)傳入電腦，并利用基于本文介紹的光譜處理方法編寫的數(shù)據(jù)處邱程序處理實(shí)時(shí)得到的二氧化氮?dú)怏w濃度。在測(cè)量中利用真空泵、真空計(jì)、氮?dú)夂拖盗袠?biāo)準(zhǔn)氣體為樣品池充入二氧化氮?dú)怏w和氮?dú)?，靜態(tài)測(cè)量時(shí) ，通過真空泵把氣體池抽成真空，用真空計(jì)監(jiān)測(cè)真空度，當(dāng)真空度達(dá)到100Pa以下時(shí)，停止抽真空并向氣體池充入標(biāo)準(zhǔn)氣體或者氮?dú)獾揭粋€(gè)大氣壓。在動(dòng)態(tài)測(cè)量屮打開氣體池兩個(gè)閥，標(biāo)準(zhǔn)氣體或者氮?dú)獍凑臻`定流速動(dòng)態(tài)通過一個(gè)閥充入氣體池 ，經(jīng)另一個(gè)閥排放到廢氣收集裝置中。2

測(cè)量的線性度和探測(cè)限線性度和探測(cè)限是氣體濃度檢測(cè)兩個(gè)重要指標(biāo) ，為了確定枳分吸收光譜技術(shù)的線性度，在樣品池屮依次充入了 15種不同濃度的二氧化氮標(biāo)準(zhǔn)氣體 ，基于前面介紹的光譜處理方法對(duì)應(yīng)得到了15個(gè)不同的光學(xué)參數(shù)。光學(xué)參標(biāo)準(zhǔn)氣體標(biāo)稱濃度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖 4 所 示 ，從圖屮可以看出網(wǎng)者具有很好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)的平方達(dá)到了 0.999，光學(xué)參數(shù)與氣體濃度比例系數(shù)是34.7。通過氣體濃度與信噪比的關(guān)系可以確定枳分吸收光譜技術(shù)的探測(cè)限 ，在相同的濃度K ，得到的吸收信號(hào)的信噪比越大 ，表明此技術(shù)的探測(cè)限越小 ，通過測(cè)量系列濃度的二氧化氮標(biāo)準(zhǔn)氣體計(jì)算得到測(cè)量每個(gè)濃度的信噪比積分吸收光譜技 術(shù)測(cè)量的氣體濃度與信噪比之間關(guān)系如圖5所示可以獲得二氧化氮?dú)怏w濃度在信噪比為2時(shí)探測(cè)限為1毫克每立方米。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

李廉 - 副教授 - 中國礦業(yè)大學(xué)