[科普中国]-积分吸收

分子吸收光谱宽带上的任意各点是与不同的能级跃迁（主要是振转能级不同）相联系的，其吸收系数与分子浓度成正比。而原子吸收线轮廓是同种基态原子在吸收其共振 辐射时被展宽了的吸收带，原子吸收线轮廓上的任意各点都与相同的能级跃迁相联系。 因此，基态原子浓度与吸收线轮廓所包括的面积（称为积分吸收）成正比。

定义若光强为的特征谱线通过厚度为l的原子蒸气时，一部分光被吸收，透过光的强度 为，与紫外-可见分光光度法中一样，与 服 从 Lambert定律，即

是吸收系数，它与入射光的频率、基态原子浓度及原子化温度等有关。 分子吸收光谱宽带上的任意各点是与不同的能级跃迁（主要是振转能级不同）相联系的，其吸收系数与分子浓度成正比。而原子吸收线轮廓是同种基态原子在吸收其共振辐射时被展宽了的吸收带，原子吸收线轮廓上的仃意各点都与相同的能级跃迁相联系。 因此，基态原子浓度与吸收线轮廓所包括的面积（称为积分吸收）成正比。吸收线的积分吸收(integrated absorption)数学表达式为

式中，c是光速 ；m，e分别为电子的质量和电荷 ；f 是振子强度，表示能被人射光激发的每个原子的平均电子数；是单位体积内能够吸收频率为±范围内辐射的基态原子数目，因激发态原子数目所占比例非常少，。在一定条件下，对于给定的元素，f 可为定值，式 中 TT、e、m、c 为常数，用K表示。可以看出，积分吸收与被测元素原子的总数N呈简单的线性关系。1

但由于大多数元素的收线的半宽度为 左右 ,测定如此窄的积分收要求单色器的分辨率达50万以上的色散仪，这是长期以来未能实现积分测量的原因。现代技术已解决了积分测最的技术问题，但是为了降低成本，仍然采用低分辨率的色散仪，以峰值吸收测量法代替积分吸收法进行定量分析。1

应用举例为了满足氮氧化物工业排放浓度检测和氮氧化物排放总量控制的要求，本文基于积分光谱技术对二氧化氮气体浓度进行了检测。建立了基于积分吸收光谱技术的气体分析方法和光学参量与气体浓度之间的关系。研究了积分吸收光谱技术的探测限、零点漂移、量程漂移和测量误差。实验结果表明在信噪比为2 时二氧化氮气体探测限为1 mg /。零点漂移小于1 mg /，满量程漂移小于0.6%，最大相对误差为0． 5%。证明了基于积分吸收光谱技术可以实现固定污染源排放气体浓度的高精度直接检测。2

二氧化氮浓度检测装置图 1所示为二氧化氮浓度测量的实验装置，光源采用钨灯，其（钨灯）发射光谱如图2所示，在 420 ~510 nm具有较平坦的发射谱，在此波段二氧化氮气体的吸收截面在350 ~550 nm波段具有较强的震荡吸收，钨灯适合作为二氧化氮测量光源。钨灯发射光经过石英透镜变成平行光，平行光经过一个端口为石英的气体池，再次经过石英透镜耦合入光纤，因为二氧化氮气体具有毒性，实验屮使用的为密闭样品池，样品池长度 1 m；探测器选用了性能优越的Maya2000pro光谱仪，光谱仪光谱范围是 410 ~530 nm，光谱分辨率是0.13nm，经过光纤光谱仪探测到的光谱数据传入电脑，并利用基于本文介绍的光谱处理方法编写的数据处邱程序处理实时得到的二氧化氮气体浓度。在测量中利用真空泵、真空计、氮气和系列标准气体为样品池充入二氧化氮气体和氮气，静态测量时 ，通过真空泵把气体池抽成真空，用真空计监测真空度，当真空度达到100Pa以下时，停止抽真空并向气体池充入标准气体或者氮气到一个大气压。在动态测量屮打开气体池两个阀，标准气体或者氮气按照闶定流速动态通过一个阀充入气体池 ，经另一个阀排放到废气收集装置中。2

测量的线性度和探测限线性度和探测限是气体浓度检测两个重要指标 ，为了确定枳分吸收光谱技术的线性度，在样品池屮依次充入了 15种不同浓度的二氧化氮标准气体 ，基于前面介绍的光谱处理方法对应得到了15个不同的光学参数。光学参标准气体标称浓度之间的对应关系如图 4 所 示 ，从图屮可以看出网者具有很好的线性关系，相关系数的平方达到了 0.999，光学参数与气体浓度比例系数是34.7。通过气体浓度与信噪比的关系可以确定枳分吸收光谱技术的探测限 ，在相同的浓度K ，得到的吸收信号的信噪比越大 ，表明此技术的探测限越小 ，通过测量系列浓度的二氧化氮标准气体计算得到测量每个浓度的信噪比积分吸收光谱技 术测量的气体浓度与信噪比之间关系如图5所示可以获得二氧化氮气体浓度在信噪比为2时探测限为1毫克每立方米。2

本词条内容贡献者为:

李廉 - 副教授 - 中国矿业大学