《基於空芯光纖氣室的痕量農田N2O氣體線上監測技術研究》是依託中國科學院合肥物質科學研究院，由鄭守國擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：基於空芯光纖氣室的痕量農田N2O氣體線上監測技術研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：鄭守國
- 依託單位：中國科學院合肥物質科學研究院
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
痕量N2O氣體線上監測是農業污染物分析方面的一個難題。近年發展起來的可調諧雷射吸收光譜技術具有檢測回響快、穩定性好等優點，但由於吸收氣室長度有限而影響了監測精度，難以滿足農田複雜氣象條件下超低濃度N2O氣體線上監測的需求。針對上述問題，本項目利用N2O氣體分子對光譜的特異性吸收原理，採用全光纖光路系統，引入長光程空芯光子晶體光纖吸收氣室，重點開展：（1）研究雙光柵環形腔摻鉺光纖紅外雷射技術，通過雙波長吸收峰監測消除農田複雜環境下雜質氣體的干擾；（2）研究空芯光子晶體光纖耦合方式及微結構製作技術，通過空芯光纖超長光程氣室來增加監測精度；（3）研究微弱信號鎖相放大與程控放大技術，實現強雜波背景下微弱光電信號的有效提取。通過以上問題的研究，突破基於空芯光纖氣室的痕量N2O氣體監測關鍵技術，為長期研究與控制農業N2O排放提供一種高精度、高可靠、抗干擾的線上監測方法，為農業合理施肥提供理論基礎與數據支持。
結題摘要
農業溫室氣體排放總量大、局部濃度低，所以農田痕量N2O線上監測是農業污染物檢測與分析方面的一個難題。近年發展起來的可調諧雷射吸收光譜技術（TDLAS）具有回響快、選擇性好等優點，但由於其吸收氣室多為玻璃、金屬等材料製成，受物理長度限制影響了監測精度，難以滿足農田複雜氣象條件下低濃度N2O線上監測的需求。針對上述問題，本項目利用N2O分子對光譜的特異性吸收原理，採用全光纖光路系統，引入長光程空芯光子晶體光纖吸收氣室，重點開展了以下三個方面的研究：（1）光纖耦合與降低光損耗問題研究：空芯光纖與單模光纖、多模光纖的耦合及其連線損耗，設計空芯光纖耦合結構，解決空芯光纖氣室的光損耗問題；（2）研究空芯光纖波導氣室參數對氣體擴散、光子傳輸性能的影響，構建空芯光纖波導氣室物理模型，解決N2O吸收強度與系統噪聲相矛盾的問題；（3）研究光纖光路去噪與微弱電信號提取方法，建立雙光纖光柵差分光路和嵌入式微弱信號解析電路，解決強雜波背景下微弱信號提取問題。項目通過以上問題的研究，突破了基於空芯光纖氣室的痕量氣體監測關鍵技術，達到以下目標：①精確測量：通過超長光程空芯光子晶體光纖吸收氣室、雙光柵差分光路去噪與強雜波背景下微弱電信號解析，實現痕量農田N2O氣體的線上監測，監測解析度達到100ppb, 監測範圍為0-200ppm;②穩定監測：利用雙波長涵蓋N2O氣體兩個典型光譜吸收峰，通過雙波長差分檢測，排除光源信號不穩定、探測器暗電流、農田常見雜質氣體等不確定因素的干擾；③快速回響：最佳化設計空芯光子晶體光纖與單模光纖、多模光纖的耦合方式，建立空芯光子晶體光纖波導氣室數學模型，在保證光纖連線損耗最優的同時探索提升氣體擴散速度的途徑，達到監測時間延遲＜1分鐘。 本項目的研究，建立了一套農田痕量溫室氣體高精度、高可靠的線上監測方法，為長期研究與控制農業溫室氣體排放提供了檢測方法與數據支撐。項目研究過程中，發表學術期刊論文3篇，學術會議論文5篇，申請專利12項，其中授權7項。
