学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

Ppb级大气二氧化硫紫外荧光检测理论与实现技术研究

作　者: 杨初平
导　师: 何振江；杨冠玲
学　校: 华南师范大学
专　业: 光学
关键词: 大气二氧化硫紫外荧光检测理论二氧化硫浓度技术研究荧光响应本底计数率反应室累积时间响应度
分类号: X831
类　型: 博士论文
年　份: 2002年
下　载: 314次
引　用: 5次
阅　读: 论文下载

内容摘要

随着经济的发展，环境问题日益受到人们的关注。二氧化硫作为主要的大气污染物，对环境造成严重的危害，有必要对其污染状况作连续监测。在我们国家，长期以来定点大气环境质量监测仪器依靠进口，国内没有任何企业从事大气环境质量监测仪器研究；进口仪器价格昂贵，每套大气环境质量监测仪器价格昂贵，由于没有国内技术支持，每套每年得维护费用不菲。这不利于我国环保仪器技术和环保产业的发展。因此在我国开展大气质量监测仪器技术研究，不仅可以降低购买国外仪器的费用和维护费用，而且有利于环保仪器技术的提高，同时促进环保产业的发展，具有重要的现实和经济意义。二氧化硫检测仪器是定点大气环境质量监测仪器系统的一个主要部分。在所有检测二氧化硫的技术中，采用紫外荧光原理检测大气中二氧化硫浓度是世界多个国家、世界卫生组织的标准化方法，包括我们国家。在广州市环保局的大力支持下，立项开展大气质量监测系统研究。作为其中的一个部分，我们开展了定点大气二氧化硫紫外吸收荧光检测理论与仪器技术研究： (1)在理论上，结合实际激发光的谱线特征和光束束宽情况，推导了小光束单波长荧光理论、有限束宽单波长荧光检测理论；并推广到有限束宽多波长激发时的荧光情况；理论证明多波长、大束宽激发时，可以提高荧光强度；当各波长满足荧光强度与浓度线性关系时，多波长激发时荧光强度与浓度也成线性关系； (2)在理论上，提出能反映二氧化硫检测中关键部件反应室光学性能的两个物理模型：激发光束与反应室共轴模型、激发光束与反应室不共轴(偏心)模型、；通过数值计算得到反应室横截面半径、吸光率对反应室信噪比的影响；计算结果显示激发光采用与反应室不共轴的偏心入射结构，可以提高信噪比；在一定内壁吸光率条件下，反应室内径增大提高信噪比，但没有必要采用更大半径，而是存在一个合理的半径，可以使反应室信噪比接近最好； (3)基于紫外吸收荧光，采用光子计数法，用自行设计的H6240-02 PMT系统初步验证在0～97ppm的浓度范围，光子计数率与二氧化硫浓度的线性关系； (4)基于紫外吸收荧光原理，采用光子计数，用自行设计的H6180-01 PMT的实验系统，系统地研究该检测仪器技术的各种特性。对影响系统性能参数的各种因素：光密性、光束束宽、有光本底计数率、二氧化硫荧光响应度进行研究，获得了有用的实验结果；通过对光路的调整，将系统的二氧化硫荧光响应度从0.2／ppb·s提高到约为9／ppb·s。在激发光光束束宽φ=10mm、荧光出口加K9透镜、K9透镜后光瞳直径φ=10mm的条件下，采用48000ppb标气和自行设计的配气系统和TE配气系统，在H6180-01PMT系统获得不同浓度的测量结果：(a)709～48000ppb的拟合华南师范大学博士学位论文即b级大气二氧化硫紫外荧光检测理论与实现技术研究结果线性度尸二0.9956，拟合后二氧化硫的响应度为7photons/ppb·s，l分钟累积时间，检测极限约为8/pPb;(b)179一756ppb的拟合结果线性度尸二0.9657，拟合后二氧化硫的响应度为1 lphoton即pb·s，1分钟累积时间，检测极限约为5/PPb;(c)18一372ppb的拟合结果线性度尸=0.5808，拟合后二氧化硫的响应度为sphotons/即b .5，1分钟累积时间，检测极限约为 8/PPb;(d)86一95 15即b的拟合结果线性度产二0.9944，线性拟合后人氧化硫的响应度为5币pb·s，l分钟累积时间，检测极限约为12/ppb; (5)定量分析了激发光源波动时有光本底计数率波动和荧光响应度波动、配气过程中标气流量和零气流量波动对不同浓度二氧化硫计数率波动的影响:研究了零气计数率的温度、流量特性，结果显示温度和流量对其影响不明显;研究了48PPm、100PPm二氧化硫荧光响应度的流量特性，结果显示，流量增大，响应度提高;研究了48Ppm二氧化硫荧光响应度的温度特性，结果显示，温度升高，响应度下降; (6)分析了有光本底计数率的来源，这里认为本底计数率来源于分子的光散射:分析了激发光光路和荧光光路的几何传播特征; (7)采用两步稳压法制作稳定度为0.01%的PMT电源、制作了制冷和温度控制电路;采用Labview虚拟仪器平台编制数据采集软件，实现系统功能的调试和二氧化硫实时测量数据的采集和测量结果显示。上面的实验结果表明，根据紫外荧光原理，用光子计数技术检测二氧化硫，具有灵敏度高的特点，是一种可行的检测技术。本文的工作为研制PPB级大气二氧化硫紫外荧光分析仪国产化样机提供了全面的系统的实验数据，打下了理论和实现技术基础。

全文目录

中文摘要  6-8
Abstract  8-10
第一章国内外二氧化硫检测理论与技术  10-22
  1.1 二氧化硫污染状况  10-11
  1.2 二氧化硫检测理论与技术  11-18
  1.3 研究项目的来源与意义  18-22
第二章紫外荧光二氧化硫检测理论  22-29
  2.1 概述  22
  2.2 荧光产生的物理机制  22-23
  2.3 单波长激发的荧光分析理论  23-27
    2.3.1 小光束激发光的荧光理论  23-25
    2.3.2 有限大小激发光束荧光理论  25
    2.3.3 有限束宽激发光束的二氧化硫荧光理论  25-27
  2.4 多波长激发的荧光检测理论  27-29
第三章大气二氧化硫检测系统的设计  29-53
  3.1 实验系统简介  29
  3.2 激发光源的选取  29-31
  3.3 激发光的获得  31-35
    3.3.1 单色仪  31-32
    3.3.2 滤光片  32-35
  3.4 反应室的设计与分析  35-40
    3.4.1 反应室模型与分析  35-40
  3.5 光路设计  40
  3.6 气路设计  40-41
    3.6.1 震动对信号的影响  40-41
  3.7 PMT的选择  41-47
    3.7.1 PMT电源  45-46
    3.7.2 制冷温度控制电路  46
    3.7.3 PMT计数率时间稳定性  46-47
  3.8 数据采集与控制软件  47-49
  3.9 系统调试  49-53
    3.9.1 光密性  49
    3.9.2 光路调试  49-53
第四章系统实验研究  53-72
  4.1 H6240-02 PMT系统0～97000ppb初步测量结果  53-55
  4.2 H6180-01 PMT系统测量二氧化硫的实验与分析  55-69
    4.2.1 调试结果  55-56
    4.2.2 705～48000ppb测试结果  56-58
    4.2.3 179～756ppb测量结果  58-59
    4.2.4 18～372ppb测量结果  59-61
    4.2.5 86～100000ppb测量结果  61-62
    4.2.6 计数率波动分析  62-64
    4.2.7 零气计数率的温度和流量特性  64-65
    4.2.8 二氧化硫响应度的流量特性  65-66
    4.2.9 二氧化硫响应度的温度特性  66-67
    4.2.10 本底计数率、光路分析  67-69
  4.3 环境空气与零气的计数率比较  69-72
第五章全文总结  72-74
致谢  74-76

Ppb级大气二氧化硫紫外荧光检测理论与实现技术研究

内容摘要

全文目录

相似论文