一种能在流动管中均匀定量发生氢氧自由基的装置的制作方法

1.本实用新型涉及流动管化学测量领域，具体涉及一种能在流动管中均匀定量发生氢氧(oh)自由基的装置。


背景技术：

2.氢氧(oh)自由基是环境大气最重要的氧化剂，它将大气痕量污染物氧化后从大气中去除，是痕量气体物质发生去除和转化的重要物质。研究oh自由基与大气痕量化学物质的反应动力学具有非常重要的意义。流动管中oh自由基发生方法的研究较少，主要有利用汞灯辐射含水汽的合成空气产生oh自由基的方法。该方法仅可在流动管的局部生成一定量的oh自由基，无法在整个流动管中均匀定量发生oh自由基，不能用于oh自由基总反应性的测量或用于oh自由基与部分痕量化学物质的反应动力学研究。
3.因此，缺少一种决在流动管中均匀定量发生oh自由基的装置。


技术实现要素：

4.为了解决以上问题，本实用新型提供了一种在流动管内均匀定量发生oh自由基的装置，具有光路系统和气路系统，具有光路系统和气路系统，其光路系统中的结构单元包括固体激光器(1)、反射镜(2)、激光扩束镜(3)、两头为透射密封窗的流动管(4)和激光能量计(5)，其气路系统中的结构单元包括氮气源(6)、氮气控制阀(7)、洗气瓶(8)、氧气源(9)、氧气控制阀(10)、臭氧发生器(11)、痕量气体源(12)、混合室(13)、臭氧分析仪(14)、温湿度计与压力计(15)、抽气泵(16)；其中，固体激光器(1)依次连接反射镜(2)、激光扩束镜(3)、流动管(4)、激光能量计(5)，流动管(4)还与混合室(13)、抽气泵(16)相连接，混合室(13)还与洗气瓶(8)、臭氧发生器(11)、痕量反应性气体源(12)、臭氧分析仪(14)、温湿度计与压力计(15)相连接，洗气瓶(8)还依次连接氮气控制阀(7)和氮气源(6)，臭氧发生器(11)还依次连接氧气控制阀(10)和氧气源(9)。
5.各结构单元以包含气管、接头的管路连接，所述管路，材质是氟塑料、不锈钢中的一种或多种，且连接臭氧发生器(11)与混合室(13)的管路以及连接混合室(13)与流动管(4)的管路是氟塑料。所述的氟塑料优选聚四氟乙烯、聚全氟烷氧基树脂中的一种。
6.所述的固体激光器(1)可选用nd：yag四倍频固体激光器，其产生的激光波长为266nm，用于将流动管内的臭氧光解，在水汽的存在下，生成oh自由基。
7.所述的反射镜(2)可选用激光镀膜高反射镜或无镀膜反射镜，用于滤除固体激光器(1)四倍频后在266nm激光脉冲中混杂的512nm激光脉冲；两面反射镜的结构方便对激光脉冲进行准直调整，使激光脉冲沿流动管内中轴线通过。
8.所述的激光扩束镜(3)用于将激光脉冲直径放大。
9.所述的流动管(4)材质为石英玻璃或铝合金材质，两端带有石英材质的密封窗，激光脉冲可通过，用于进行流动管气体实验。
10.所述的激光能量计(5)用于测量激光脉冲的能量。
11.所述的氮气控制阀(7)用于定量控制氮气(6)进入或不进入洗气瓶(8)。
12.所述的洗气瓶(8)用于加湿氮气(6)。洗瓶具有加热和保温系统，可以恒温在25～50℃范围内，精度为
±
2℃，可通过升温提高加湿能力。
13.所述的氧气控制阀(10)用于定量控制氧气(9)进入或不进入臭氧发生器(11)。
14.所述的臭氧发生器(11)用于生成臭氧。臭氧发生器采用紫外汞灯光解氧气方法生成臭氧，可通过增加或减少紫外汞灯的辐射面积控制臭氧生成量。
15.所述的混合室(13)是用于混合加湿后的氮气、含有一定量臭氧的氧气、痕量反应性气体(12)的装置，材质可为聚四氟乙烯或玻璃。加湿后氮气、含有臭氧的氧气以及痕量反应性气体(12)充分混合，形成待测气体。
16.臭氧分析仪(14)用于分析混合室内的臭氧浓度。
17.温湿度计与压力计(15)用于测量混合室内的温度、相对湿度与压力，用于计算混合室内的水汽含量。
18.所述的抽气泵(16)用于抽出流动管内的尾气，保持流动管气体流速稳定。
19.本实用新型的装置在流动管内均匀定量发生oh自由基的方法，步骤如下：
20.步骤1，将一定量氧气通过臭氧发生器，生成臭氧；将一定量氮气通过洗气瓶；含有臭氧的氧气与含有水汽的氮气在通入混合室进行混合；
21.步骤2，固体激光器(1)发射出266nm激光脉冲，激光脉冲经过两面反射镜(2)反射后，通过激光扩束镜(3)进行扩束后射入两头为透射密封窗的流动管(4)。
22.步骤3，流动管中的臭氧在激光脉冲辐射下分解，产生oh自由基。
23.本实用新型的效果：
24.1.采用上述结构的装置，可以在流动管内定量发生0.1ppt至10ppb(体积比)的oh自由基，仅采用了氮气、氧气、水汽以及臭氧作为反应物，不引入其他痕量反应性气体，可广泛用于oh自由基的流动管实验。
25.2.采用上述结构的装置可实现自动运行，根据设定自动调整oh自由基生成浓度，可用于oh自由基测量设备的浓度校准。
26.应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”等术语并不排除一个或多个其它物质、成分、性能、状态、元件或其组合的存在或添加；“大于”、“小于”都不包含数值本身，“以上”、“以下”都包含数值本身。
附图说明
27.图1为本实用新型的流动管内oh自由基均匀定量发生装置的一个实施例的结构示意图。
28.图中1
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固体激光器(266nm波长)、2
‑
反射镜、3
‑
激光扩束镜、4
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两头为透射密封窗的流动管、5
‑
激光能量计、6
‑
氮气源、7
‑
氮气控制阀、8
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洗气瓶、9
‑
氧气源、10
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氧气控制阀、11
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臭氧发生器、12
‑
痕量气体源、13
‑
混合室、14
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臭氧分析仪、15
‑
温湿度计、16
‑
抽气泵。
29.图2为一个实施例中的oh信号测量图。
具体实施方式
30.下面通过实施例的方式进一步说明本实用新型，并不因此将本实用新型限制在所
述实施例范围之中。凡基于本实用新型上述内容所实现的技术均属于本实用新型的范围。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节。
31.本实用新型涉及的测试项目及其测定方法如下，如无特别说明，各测试都在25℃下进行。
32.实施例：
33.采用的流动管为铝合金材质，长80cm，内径为4cm，266nm激光光束扩束至3cm，阳极氧化发黑处理。流动管内流体为添加了水汽(体积比0.1％～2％)与臭氧(体积比为10～1000ppbv)的干洁空气(体积混合比：氮气79％，氧气21％)，总流量为16升/每分钟。控制流量使用的氮气控制器、氧气控制器均为七星华创公司生产的cs200型质量流量控制器。混合室为特氟龙材质的空心圆柱体，内部容积为200ml。
34.激光器选用了镭宝光电生产的lapa
‑
80激光器，可发射266nm波长激光脉冲，单脉冲能量为1～10mj可调，脉冲长度为6ns。反射镜、扩束镜均选用了美国thorlabs公司生产的光学镜片，镀有266nm高透膜，型号分别为nb1
‑
k04、be05
‑
266。
35.在266nm的激光辐射下，臭氧o3吸收光量子发生光解反应生成oh自由基的反应如下所示：
36.o3+hv(λ＝266nm)
→
o(1d)+o2(1δ
g
)
37.o(1d)+h2o
→
2oh
38.通过反应动力学计算，可以得到oh自由基的生成浓度与266nm激光脉冲能量、臭氧浓度、水汽浓度直接相关，其关系式可表达为
39.[oh]＝a
·
j
266nm
[o3]
·
[h2o]
[0040]
其中，a为常数，j
266nm
为266nm激光脉冲的能量与其脉冲宽度的乘积，[o3]为臭氧浓度，[h2o]为水汽浓度。通过改变激光脉冲能量(本实例中为1
‑
10mj)、臭氧浓度(10～1000ppbv)、水汽含量(0.1％～2％)，可实现4个数量级oh自由基浓度的精确发生。
[0041]
oh自由基具有高度的反应性，其与流动管管壁碰撞即会分解失活，理论上该反应会导致oh自由基浓度发生指数衰减。图2中，由于在流动管内均匀发生了oh自由基，oh自由基在0.05～0.20秒间表现为指数衰减形式。如不采用该发生方式，oh自由基在流动管内的截面浓度分布不均将导致自由基的信号衰减以非指数衰减形式发生。