Detección por modulación de longitud de onda de vapor de agua y sus isótopos hidrógeno-oxígeno a baja presión

WANG Liyi ,  

LI Xiang ,  

CAO Nailiang ,  

DENG Hao ,  

HU Haifei ,  

MI Xiaotao ,  

KAN Ruifeng ,  

摘要

Debido a las dificultades para extraer señales de absorción débiles y la superposición de líneas espectrales en la detección de vapor de agua en trazas y sus isótopos de hidrógeno y oxígeno bajo condiciones de baja presión y dinámicas, se propone un método de detección basado en la técnica de espectroscopía de absorción con modulación de longitud de onda (Wavelength Modulation Spectroscopy, WMS). Utilizando un láser semiconductor de retroalimentación distribuida (Distributed Feedback Laser, DFB) con longitud de onda central de 1.863 μm como fuente láser, se construyó un dispositivo de detección miniaturizado con una trayectoria óptica efectiva de 12 m y un volumen de celda de absorción de 80 cm3, que permite la detección simultánea de H216O, H217O, H218O y HDO mediante una salida de escaneo único. Mediante experimentos de calibración con diferentes muestras estándar de agua, se estableció la relación entre la proporción del área integrada ajustada de canales isotópicos débiles y canal de referencia y los valores verdaderos estándar, logrando medir las razones isotópicas de hidrógeno y oxígeno en el vapor de agua y sus valores δ. Los resultados experimentales muestran una correlación lineal entre las áreas integradas ajustadas de cada isótopo y la presión del vapor de agua, con coeficientes de correlación R2 mayores a 0.99; bajo condiciones estacionarias de 340 Pa, los tiempos óptimos de integración para los canales δD, δ18O y δ17O fueron de 18, 23 y 20 s respectivamente, con desviaciones Allan mínimas de 2.015‰, 3.636‰ y 1.317‰; experimentos simulados con regolito lunar verificaron que el método puede seguir los cambios dinámicos de los isótopos durante el proceso de fraccionamiento por adsorción, con un tiempo de respuesta de presión del 10% al 90% de 71 s bajo las condiciones experimentales actuales; en comparación con el método de absorción directa con una longitud de ruta efectiva de 25 m y longitud de onda de 2.731 μm, los resultados δD mostraron una tendencia coherente. Este método permite mediciones cuantitativas estables y dinámicas del vapor de agua y sus isótopos de hidrógeno y oxígeno en condiciones de baja presión y puede brindar soporte técnico para la detección in situ miniaturizada de vapor de agua y sus isótopos en procesos dinámicos a baja presión.

关键词

vapor de agua baja presión;isótopos hidrógeno-oxígeno;espectroscopía por modulación de longitud de onda;inversión isotópica

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