基于中红外吸收光谱的痕量水汽在线测量

作     者：钟翔雨 史青 张步强 张宇露 刘晓英 蒙瑰 牛慧文 邵文博 周建发 ZHONG Xiang-yu;SHI Qing;ZHANG Bu-qiang;ZHANG Yu-lu;LIU Xiao-ying;MENG Gui;NIU Hui-wen;SHAO Wen-bo;ZHOU Jian-fa

作者机构：北京遥测技术研究所北京100076 

出 版 物：《光谱学与光谱分析》 (Spectroscopy and Spectral Analysis)

年 卷 期：2025年第45卷第2期

页      面：358-363页

核心收录：

学科分类：07[理学] 070302[理学-分析化学] 0703[理学-化学] 

基　　金：中国航天科技集团自主研发项目 国家科技重大专项(J2019-V-0015-0110)资助 

主　　题：中红外 吸收光谱 痕量水汽 在线测量 

摘      要：痕量水汽检测在半导体芯片制造、大气模型研究、高纯气体制备等方面发挥重要作用。针对痕量水汽浓度的精确、快速测量的需求,提出基于5020 nm中红外激光器的可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术对高纯氮气中的痕量水汽进行实时在线测量的方案。气体在中红外波段具有高选择性和吸收能力的特点,在此波段进行痕量水汽检测具有选择性好、灵敏度高、响应时间短等优点。根据HITRAN数据库中光谱参数对水汽吸收谱线进行仿真,仿真结果表明H2O在5020.36 nm处有强吸收,且无其他气体干扰,选取该谱线对高纯氮气中的水汽吸收进行研究。选用5020 nm中心波长的带间级联激光器(ICL)作为光源搭建TDLAS实验系统。激光器输出激光分为两路,一路作为参考光路,用于获得吸收池外的背景水汽吸收,另一路为测量光路,通过Herriott吸收池获得待测气体中的水汽吸收,吸收池内光程L=10 m。探测器将接收到的光信号转换为电信号,经放大电路放大后被采集并传输到计算机,采样频率为25 MHz。分别对参考、测量光路信号进行基线拟合和Voigt线型拟合,得到水汽的吸光度曲线和积分吸光度,通过计算扣除测量光路中的背景水汽吸收,得到高纯氮气中的痕量水汽浓度。将上述反演过程的算法嵌入软件平台,对采集的透射光强数据直接进行反演处理,实时得到吸收池内高纯氮气中的水汽浓度值,响应时间为12 s。待水汽浓度值稳定后,取30次测量结果的平均值作为各批次高纯氮气水汽浓度的实验结果。实验结果表明,测量得到的各批次高纯氮气的痕量水汽浓度与国家标准要求的高纯氮气中水汽浓度之间的偏差小于±5%,最大偏差为-3.04%,对实验结果进行误差分析,计算得到水汽体积分数的不确定度最大为0.159×10^(-6)。该实验装置可以在中红外波段对高纯气体中痕量水汽浓度进行准确、可靠的在线测量,为中红外波段进行痕量气体在线监测提供一种切实可行的方案。