Ppb级探测灵敏度的CO<sub>2</sub>腔衰荡光谱仪

刘英; 胡迈; 王兴平; 许振宇; 何亚柏; 阚瑞峰

doi:10.37188/OPE.20233120.2921

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Ppb级探测灵敏度的CO₂腔衰荡光谱仪

现代应用光学 | 更新时间：2023-11-27

- Ppb级探测灵敏度的CO₂腔衰荡光谱仪
- Cavity ring-down spectrometer of CO₂ with ppb detection sensitivity
- 光学精密工程 2023年31卷第20期页码：2921-2929
- 作者机构：
  
  1.中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所，安徽合肥 230031
  2.中国科学技术大学，安徽合肥 230026
  3.香港中文大学机械和自动化工程系，香港 999077
- 作者简介：
  
  [ "刘英（1998-），女，四川宜宾人，博士研究生，2018年于安徽大学获得学士学位，主要从事激光吸收光谱方面的研究。E-mail： yliu@aiofm.ac.cn" ]
  [ "阚瑞峰（1977-），男，辽宁锦州人，博士，研究员，2000年于长春理工大学获得学士学位；2003年、2006年于中国科学院安徽光机所分别获得硕士与博士学位，主要从事光学与光谱学方面的研究。E-mail：kanruifeng@aiofm.ac.cn" ]
- 基金信息：
  
  粤港关键领域重点突破项目资助(2004A10403021);中国石油天然气集团有限公司-中国石油大学（北京）战略合作科技专项：“一带一路”海外长输管道完整性关键技术研究与应用项目(2006A10401006)
- DOI：10.37188/OPE.20233120.2921
  中图分类号：
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刘英,胡迈,王兴平等.Ppb级探测灵敏度的CO₂腔衰荡光谱仪[J].光学精密工程,2023,31(20):2921-2929.

LIU Ying,HU Mai,WANG Xingping,et al.Cavity ring-down spectrometer of CO₂ with ppb detection sensitivity[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(20):2921-2929.
刘英,胡迈,王兴平等.Ppb级探测灵敏度的CO₂腔衰荡光谱仪[J].光学精密工程,2023,31(20):2921-2929. DOI： 10.37188/OPE.20233120.2921.

LIU Ying,HU Mai,WANG Xingping,et al.Cavity ring-down spectrometer of CO₂ with ppb detection sensitivity[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(20):2921-2929. DOI： 10.37188/OPE.20233120.2921.

摘要

二氧化碳（Carbon dioxide， CO,2,）是大气中最主要的温室气体，具有大气本底浓度高而年变化量小的特点。因此，对其浓度进行高精度的监测是实现“双碳”目标的重要环节。本文基于连续波光腔衰荡光谱技术，搭建了一套探测灵敏度低至ppb的CO,2,气体传感装置。系统中选取了中心波长为6 251.760 cm,-,1,的CO,2,吸收线、设计了超高精细度（,>,300 000）的石英玻璃型法布里-珀罗谐振腔和高性能的温度、压力控制模块。腔内气体的温度和压力在24 h的变化量分别小于0.07 ℃和15 Pa。Allan方差的结果显示，系统在303 s的最佳积分时间下，可获得0.7×10,-,12, cm,-,1,的检测限，对应的CO,2,最低可检测浓度为1.6 ppb。在较大的CO,2,浓度范围内，系统响应的线性相关系数为0.999 94。最后，系统以10 s的响应时间，对大气中的CO,2,浓度进行了2天的连续观测，其结果与商用仪器（Picarro， G2401）的监测数据高度一致，排除人体呼气干扰后的相对偏差优于6‰。该系统具有结构简单、成本低、灵敏度极高的特点，在痕量气体监测领域将具有广阔的应用前景。

Abstract

Carbon dioxide （CO,2,） is the most important greenhouse gas in the atmosphere， characterized by high concentrations with minimal annual fluctuations. Therefore， high-precision monitoring of its concentration is an important link to realize the objective of the "double carbon." In this study， a CO,2, gas sensing device， with detection sensitivity in the ppb level， was constructed based on continuous-wave cavity ring-down spectroscopy. The CO,2, absorption line with a central wavelength of 6 251.760 cm,-,1, was selected. Moreover， a quartz glass Fabry-Perot resonant cavity with ultra-high fineness （,>,300 000） and temperature and pressure control modules with good performance were designed in the system. The changes in gas temperature and pressure in the cavity during 24 h are less than 0.07 ℃ and 15 Pa， respectively. The Allan variance result shows that the system can obtain a detection limit of 0.7×10,-,12, cm,-,1, at an optimal integration time of 303 s. For carbon dioxide， the detection limit corresponds to a minimum detectable concentration of 1.6×10,-,9,. The linear correlation coefficient of the system's response is 0.999 94 over a wide range of CO,2, concentrations. Finally， an observation of the atmospheric CO,2, was conducted for 2 days with a system response time of 10 s. The results are in good agreement with the monitoring data from the commercial instrument （Picarro， G2401）， and the deviation between the two devices is less than 6‰ after excluding the interference from human exhalation. With its simple structure， low cost， and extremely high sensitivity， the system exhibits a broad application in the field of trace gas monitoring.

关键词

CO2探测光学传感光腔衰荡光谱极高灵敏度

Keywords

CO2 detectionoptical sensingcavity ring-down spectroscopyultra-high sensitivity

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