一种深海极端环境模拟系统的制作方法

本发明为机械制造、材料科学、高温高压技术、计算机控制和智能控制等相关技术或学科的一种综合研究，具体涉及到一种深海极端环境模拟系统。

背景技术

深海热液活动形成了丰富的热液成因矿产、极端生物基因等重要战略资源，其地质构造、成矿机制和资源潜力研究一直是国际海洋科学热点。近年来，对热液区近海底区域的基础物理化学环境的观测与分析，尤其是分析热液喷口流体物理化学性质，阐述其对周围海洋环境的影响和作用，成为揭示热液活动成因、发展变化过程以及对周围大洋环境影响研究的重要内容，已成为热液活动新的研究热点。因此，建立可精准模拟热液环境的深海极端环境模拟系统是十分必要的。

原位拉曼光谱探测技术，改变了传统方式对热液理化参数测量不准的现状，将其应用于深海极端环境模拟系统中，可实现具有连续监测功能的深海极端环境模拟系统，建立可精准模拟热液环境的深海极端环境模拟系统。但是现有深海极端环境模拟系统中的高温高压拉曼反应舱采用金刚石或蓝宝石作为窗口用于传递激发光和回收拉曼信号，该结构设计会削弱激发光和回收拉曼信号的强度，降低采集光谱的信噪比，降低对弱拉曼活性物质的探测能力；并且现有深海极端环境模拟系统中未考虑舱体材质对拉曼光谱采集系统的荧光影响。

此外，现有深海极端环境模拟系统的气体和液体共用一个进样通道，存在样品成分和浓度控制困难的问题；现有技术中温度控制系统均通过在高温高压反应舱内设置温度传感器以实时监测反应舱的温度，但是因为温度传感器设置在舱内，所以又会出现舱体密封性的问题。

技术实现要素：

针对现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种深海极端环境模拟系统，用于研究深海极端环境下气体样品在液体样品中的溶解、运移过程，并通过拉曼光谱研究舱内气体样品的溶解速率、运移速率，解决由于现有深海极端环境模拟系统的高温高压拉曼反应舱采用窗口式设计，会极大地衰减拉曼信号，对弱拉曼活性物质的探测差等问题。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种深海极端环境模拟系统，其特征在于，包括拉曼反应舱、进样增压装置、拉曼光谱采集系统和温度控制装置，拉曼反应舱包括舱体、舱盖和浸没式拉曼探头，舱体上设有进样增压通道，进样增压通道与进样增压装置连接，舱盖活动连接于舱体顶部，浸没式拉曼探头由舱盖固定于舱体顶部之上，浸没式拉曼探头与拉曼光谱采集系统连接，浸没式拉曼探头的前端深入舱体内。

进一步，舱盖螺纹连接于舱体顶部，浸没式拉曼探头上设有卡挡部件，卡挡部件设于舱盖与舱体顶部之间。

进一步，舱盖螺纹连接于舱体顶部，浸没式拉曼探头与舱盖螺纹连接。

进一步，舱盖螺纹连接于舱体顶部，浸没式拉曼探头与舱盖螺纹一体成型。

进一步，浸没式拉曼探头于舱体顶部之间设有密封圈。

进一步，舱盖内设有冷却装置。

进一步，冷却装置为循环水通道。

进一步，舱盖顶部设有截面为多边形的棱柱。

进一步，进样增压通道包括液体通道和气体通道。

进一步，进样增压装置包括气体进样增压装置和液体进样增压装置，进样增压通道包括液体通道和气体通道，气体进样增压装置和液体进样增压装置分别于气体通道和液体通道连接。

进一步，液体通道和气体通道分别独立设置。

进一步，舱体的材质为哈氏合金。

进一步，密封圈为聚四氟乙烯o圈。

本发明还包括一种深海极端环境温度模拟方法，包括如下步骤：

实验前，温度控制装置向拉曼反应舱施加温度，即对拉曼反应舱进行加热或制冷，施加不同的温度，测定拉曼反应舱内对应的温度，即测定温度控制装置施加温度与拉曼反应舱舱内温度的对应关系；实验中，根据上述步骤测定的对应关系，温度控制装置向拉曼反应舱施加温度，使拉曼反应舱舱内达到所需温度。

本发明的有益效果是：

（1）本发明的拉曼反应舱，舱体是用于模拟深海热液高温高压以及深海冷泉低温高压等深海极端环境的容器，通过进样增压通道向舱体内注入所需的液体样品和气体样品，通过控制液体样品和气体样品的量控制舱体内的压力，完成高压环境的模拟，通过外设加温或制冷装置，对舱体进行加温或制冷，完成高温或低温环境的模拟，在上述高温高压或低温高压的深海极端环境下，气体样品在液体样品中发生溶解和运移，浸没式拉曼探头用于测量气体样品在液体样品中的溶解速率和运移速率。

（2）本发明的拉曼光谱采集系统通过浸没式拉曼探头深入至拉曼反应舱内收集信息，且浸没式拉曼探头由舱盖固定于舱体顶部，并设置密封圈实现密封，改变了传统的窗口式设计，可减弱拉曼信号在传输过程中的衰减，极大地提高了信号的质量，显著提高了系统的灵敏性，同时可以做到对模拟条件下样品反应的实时拉曼原位测量，连续监测模拟系统内的样品成分与浓度。再一方面，实验时液体表面是研究人员最关注的位置，浸没式拉曼探头由舱盖固定于舱体顶部之上，浸没式拉曼探头的前端深入舱体内，上述结构可以使得浸没式拉曼探头垂直的接触样品中的液体界面，使得浸没式拉曼探头可以检测到最重要的信号，综合上述两方面，本发明的拉曼反应舱，可以真实的模拟拉曼探测的环境。

（3）浸没式拉曼探头于舱体顶部之间设有密封圈，密封圈用于密封，由于浸没式拉曼探头深入舱体内，密封圈可以防止实验时漏气漏水，保证实验时模拟的深海极端环境不会发生变化。

（4）实验时有时为高温环境，密封圈在高温环境下可能会被融化。本发明的循环水装置与舱盖设置的循环水通道相连，目的是为了对舱盖进行冷却，以防止舱体热量向上传递，防止密封圈因为高温条件融化，保证系统的密封质量，同时冷却装置设于舱盖内，不会影响舱体内的高温环境。实验时在循环水通道中通冷却水，用于密封圈的冷却，冷却水可循环使用，节约成本，再一方面，使用该结构进行冷却，通过控制冷却水的温度，可实现冷却温度的精准控制。

（5）本发明的拉曼反应舱的舱体上设置有两个进样增压通道，保证了气体样品和液体样品的独立进样，可以更灵活的控制舱内样品的成分和浓度。

（6）本发明的气体增压装置和液体增压装置即是整个模拟系统的进样装置，又是整个系统的压力控制装置，不需要单独设置压力控制装置，结构简单。气体增压装置可以将常压下的气体提高至实验所需的气体压力，同时又能将气体样品泵入拉曼反应舱；液体增压装置可以将各种液体样品泵入拉曼反应舱中，同时又可以用于微调模拟系统的压力。

（7）实验时为高压环境，浸没式拉曼探头由舱盖固定于舱体顶部之上，可以防止实验时高压将浸没式拉曼探头顶出，应当理解的，浸没式拉曼探头由舱盖固定于舱体顶部之上，是实验时将浸没式拉曼探头固定于舱体顶部，不实验时将浸没式拉曼探头从舱体顶部取下，方便浸没式拉曼探头以及舱体内部的清洗（清洗实验产生的污垢），而不是直接将浸没式拉曼永久固定连接于舱体顶部（如通过焊接或一体成型等方法固定）。

（8）本发明的拉曼反应舱舱体为哈氏合金材料，在高温高压下仍然具备很强的耐腐蚀性能，同时避免样品与舱体发生反应产生荧光物质，影响拉曼光谱采集系统。

（9）本发明的温度控制装置为外部控温装置，通过生成舱体内部温度与舱体外部温度的关系，直接通过舱体外部温度计算内部温度，避免了由于在拉曼反应舱内置温度传感器引起的密封性问题，使得结构更为简单。

（10）舱盖螺纹连接于舱体顶部，通过该结构将舱盖与舱体顶部固定在一起，浸没式拉曼探头设有卡挡部件，卡挡部件设于舱盖与舱体顶部之间，通过该结构限制浸没式拉曼探头上下移动，进而使得浸没式拉曼探头由舱盖固定于舱体顶部之上；舱盖螺纹连接于舱体顶部，通过该结构将舱盖与舱体顶部固定在一起，浸没式拉曼探头与舱盖螺纹连接，进而使得浸没式拉曼探头由舱盖固定于舱体顶部之上；舱盖螺纹连接于舱体顶部，通过该结构将舱盖与舱体顶部固定在一起，浸没式拉曼探头与舱盖螺纹一体成型，进而使得浸没式拉曼探头由舱盖固定于舱体顶部之上；舱盖顶部设有截面为多边形的棱柱，舱盖螺纹连接于舱体顶部，拧紧时通过该棱柱可以将舱盖与舱体拧的更紧。

附图说明：

图1为实施例一拉曼反应舱的截面图；

图2为实施例三拉曼反应舱的截面图；

图3为实施例四拉曼反应舱的截面图；

图4为本发明的整体布局图。

图中：1-舱体，2-舱盖，3-浸没式拉曼探头，4-舱体顶部，5-密封圈，6-卡挡部件，7-棱柱，8-循环水通道，9-液体通道，10-气体通道，11-拉曼反应舱，12-气体增压装置，13-液体增压装置，14-循环水装置，15-拉曼光谱采集系统，16-温度控制装置，17-气体，18-液体，19-冷却水，20-激发光，21-拉曼信号，22-温度传感器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明的技术方案做进一步详述。

实施例一：

如图1所示，一种拉曼反应舱，包括舱体1、舱盖2和浸没式拉曼探头3，舱体1上设有进样增压通道，舱盖2活动连接于舱体顶部4，浸没式拉曼探头3由舱盖2固定于舱体顶部4之上，且浸没式拉曼探头3的前端深入舱体1内。

实验时，首先将浸没式拉曼探头3的前端深入舱体1内，然后将舱盖2连接于舱体顶部4，将浸没式拉曼探头3由舱盖2固定于舱体顶部4之上，通过进样增压通道向舱体1内注入所需的液体样品和气体样品，通过控制液体样品和气体样品的量控制舱体1内的压力，完成高压环境的模拟，通过外设加温或制冷装置，对舱体1进行加温或制冷，完成高温或低温环境的模拟，在上述高温高压或低温高压的深海极端环境下，气体样品在液体样品中发生溶解和运移，浸没式拉曼探头3用于测量气体样品在液体样品中的溶解速率和运移速率。实验后，将舱盖2从舱体顶部4取下，然后将浸没式拉曼探头3取下，清洗实验产生的污垢。

实施例二：

如图1所示，一种拉曼反应舱，与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是，舱盖2与舱体顶部4螺纹连接，通过该结构将舱盖2与舱体顶部4固定在一起，浸没式拉曼探头3设有卡挡部件6，本实施例中卡挡部件6为法兰盘，卡挡部件6设于舱盖2与舱体顶部4之间，通过该结构限制浸没式拉曼探头3上下移动，进而使得浸没式拉曼探头3由舱盖2固定于舱体顶部4之上。本实施例优选的，舱盖2顶部设有截面为多边形的棱柱6，舱盖2与舱体1螺纹连接，拧紧时通过该棱柱7可以将舱盖2与舱体1拧的更紧。

实施例三：

如图2所示，一种拉曼反应舱，与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是，舱盖2与舱体顶部4螺纹连接，通过该结构将舱盖2与舱体顶部4固定在一起，浸没式拉曼探头3与舱盖2螺纹连接，进而使得浸没式拉曼探头3由舱盖2固定于舱体顶部4之上。本实施例优选的，舱盖2顶部设有截面为多边形的棱柱6，舱盖2与舱体1螺纹连接，拧紧时通过该棱柱7可以将舱盖2与舱体1拧的更紧。

实施例四：

如图3所示，一种拉曼反应舱，与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是，舱盖2与舱体顶部4螺纹连接，通过该结构将舱盖2与舱体顶部4固定在一起，浸没式拉曼探头3与舱盖2螺纹一体成型，进而使得浸没式拉曼探头3由舱盖2固定于舱体顶部4之上。本实施例优选的，舱盖2顶部设有截面为多边形的棱柱6，舱盖2与舱体1螺纹连接，拧紧时通过该棱柱7可以将舱盖2与舱体1拧的更紧。

实施例五：

如图4所示，本发明包括拉曼反应舱11，液体增压装置13，气体增压装置12，循环水装置14，拉曼光谱采集系统15，温度控制装置16。其中，拉曼反应舱11的设置可以如实施例一至四相同或大致相同，舱体1的材质采用哈氏合金，舱体1嵌入到温度控制装置16中；拉曼光谱采集系统15由一套完整的实验室拉曼光谱仪组成，通过计算机控制采集拉曼信号21，光谱仪、激光器与浸没式拉曼探头3之间通过两根光纤连接；循环水装置14通过橡胶软管与舱盖2内部设置的循环水通道8相连；气体增压装置12和液体增压装置13通过耐压管分别连接两个进样通道10、9，另一端分别连接气体样品和液体样品；本发明的温度控制装置16还包括温度传感器22，并通过加热、制冷的方式控制整个拉曼反应舱11的温度。

实施例六：

本发明的一种深海极端环境温度模拟方法为：实验前，温度控制装置16向拉曼反应舱11施加温度，即对拉曼反应舱11进行加热或制冷，施加不同的温度，测定拉曼反应舱11内对应的温度，即测定温度控制装置16施加温度与拉曼反应舱11舱内温度的对应关系；实验中，根据上述步骤测定的对应关系，温度控制装置16向拉曼反应舱11施加温度，使拉曼反应舱11舱内达到所需温度。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。