【摘 要】
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同位素分析在生态循环、气候变化、生物医学等领域已广泛应用,通过分析其同位素比值的变化可获得特征信息,如测量人体呼吸气体中13C/12C值确定幽门螺旋杆菌的感染程度,以及胃溃疡等其他疾病;利用水的同位素比值评价人体能量消耗,也用于生态水循环等问题。相比传统同位素分析法,激光光谱法具有相当大的优势,非常符合当今仪器便携化与小型化发展的趋势。本文使用中空光纤（HWG）作为气池,利用激光光谱法对水汽与二氧
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同位素分析在生态循环、气候变化、生物医学等领域已广泛应用,通过分析其同位素比值的变化可获得特征信息,如测量人体呼吸气体中13C/12C值确定幽门螺旋杆菌的感染程度,以及胃溃疡等其他疾病;利用水的同位素比值评价人体能量消耗,也用于生态水循环等问题。相比传统同位素分析法,激光光谱法具有相当大的优势,非常符合当今仪器便携化与小型化发展的趋势。本文使用中空光纤（HWG）作为气池,利用激光光谱法对水汽与二氧化碳同位素丰度值进行测量研究。相比于其他长光程气池,中空光纤不仅体积小而且在近红外和中红外波段可以实现高效率的光传输,非常适用于仪器发展趋势。文中内容包括:1、提出了一种基于HWG的水汽同位素丰度比值测量系统,可同时对三种水汽同位素分子浓度进行实时测量。该系统采用工作中心波长为2.73μm DFB激光器作为探测光源,内径为1mm长度为5m的中空光纤作为气池。选取H218O,H216O、H217O和HDO分子吸收线位置分别为3662.9196cm-1,3663.0452cm-1,3663.3213cm-1和3663.84202cm-1。通过露点发生器产生的标准气进行峰值浓度定标,结果表明H218O、H216O、H217O三者的线性度可至0.999左右,HDO分子信号较弱为0.99左右。该系统上升响应时间为41.3s,下降响应时间为175.8s。通过Allan方差分析得知,稳定时间为96s的情况下,系统对于测量δ18O与δ17O探测极限均达到1‰以下。使用该系统对大气中水汽同位素进行了测量,并对数据进行Kalman滤波,得到大气中H218O、H216O以及H217O浓度随时间变化图与δ18O和δ17O平均值。2、搭建了一套激光锁频的中空光纤气体传感器系统装置,实现对12C16O2、13C16O~2和18O12C16O气体分子浓度进行稳定准确测量。以二次谐波（2f）信号峰值对应位置处的一次谐波（1f）信号值作为锁定点,将激光频率锁定到13CO2峰值中心,同时扫描12C16O2和18O12C16O的吸收线。在自由运行和频率锁定两种状态下,连续测量浓度为4.7%CO2气体中三种同位素,时间超过103分钟。分析结果得到锁频状态比自由状态下的测量准确度和精度至少高3倍和1.3倍。在锁定频率状态下,δ13C和δ18O的探测极限均为0.72‰,稳定时间为766 s。
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