FTIR发射光谱中室内气体热辐射源的优化设计及辐射特性研究

引言

FTIR发射光谱与其吸收光谱最大的差别在于要用待测目标的红外辐射源来代替FTIR谱仪的光源.对于气体热辐射,其辐射性质除取决于气体的种类、热力学状态(温度和压力)外,还和气体的形状、尺寸有关.如何合理设计气体红外辐射源的尺寸以满足光谱仪要求,使谱仪获得高质量的发射光谱就成为了一个关键问题.

1　FTIR光谱仪对辐射源的要求及高温气体热辐射源的物理模型

如图1所示,高温气体被收集到一金属辐射管中,为保证被测气体不遇冷凝结,辐射管内壁与被测气体保持相同高温.辐射管前、后两端是由红外透光材料制成的圆形薄片,其前端位于透镜L的焦平面上.L的焦距为f,半径为R(这里为方便采用透镜,实际情况下用离轴抛物面反射镜来代替透镜),高温气体及辐射管共同构成了FTIR的辐射源.辐射源发出的红外辐射经L变成有发散角的准平行光束进入FTIR谱仪.由于辐射管与气体在相同的高温,其管壁的热辐射作为背景是不利于实验测量的,基于这点,辐射管设计成圆台形状,前端面半径为R1,后端面半径为R2,高为H,前、后端面的边缘与L的边缘在一条直线上,且前端面的周围加水冷光阑[1],这样能使辐射管侧壁的红外辐射无法经过L进入FTIR谱仪,降低了背景辐射.

FTIR光谱仪的分辨本领定义为[2]:

υ为波数,Δυ为谱仪能分辨的最小波数间隔.对给定的F值,进入谱仪的光线孔径立体角Ω是有限制的:

入射光线孔径立体角Ω与平面角θ之间的关系为:

则,进入到干涉仪的平行光束之间夹角的最大限度为:

否则将降低FTIR谱仪的分辨率.

根据图1几何关系并考虑θ角较小,辐射源待定的几何参数有如下关系式:

在下面的讨论中,将直接引用上述关系而不再一一指明.

2　辐射源几何参数的优化设计

忽略辐射管前、后端的透明薄片对气体辐射的吸收、反射及薄片自身的发射,进入FTIR谱仪的辐射包括3个来源: (1)辐射管内高温气体的辐射;(2)辐射管后面的背景辐射通过辐射管的前、后端面进入谱仪, (3)辐射管与谱仪之间的大气辐射.若高温气体和大气都是均匀的,进入谱仪的辐射亮度为[3]:

τA、τt分别为大气和高温气体的透过率,LA、Lb分别是大气温度和高温气体温度下的黑体辐射亮度,Lbk是背景辐射亮度.没有高温气体时,进入谱仪的辐射亮度为:

设FTIR谱仪扫描过程中,背景辐射没有明显变化,用有、无高温气体的辐射亮度的差谱,可以扣除大部分背景的影响以增强气体发射光谱的特征[3],由于辐射管距谱仪较近,除水蒸气和二氧化碳强吸收波长处以外,可认为大气吸收很微弱[1],即τA=1.则辐射亮度的差谱为: