CN108896236A - 一种封闭玻璃气室内气体压强的测量装置及测量方法 - Google Patents

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杜炎雄
石磊
罗鋈流
袁泳怡
黎绮镟
彭钰嵋
吕庆先
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Abstract

本发明提供了一种封闭玻璃气室内气体压强的测量装置及测量方法，属于气体压强检测技术领域。本测量装置包括用于照射待测气体的激光器、扩束透镜、用于封装待测气体的封闭的玻璃气室、收集透镜和光电探测器，激光器发射的光束经过扩束透镜，之后经过玻璃气室，之后再经过收集透镜，再由光电探测器接收。本测量装置通过纯光方式进行探测，相对于现有技术中的测量方式，响应更快，相对于热传导式测量，本测量装置的测量精度更高。

Description

一种封闭玻璃气室内气体压强的测量装置及测量方法
技术领域
本发明属于气体压强检测技术领域，涉及一种封闭玻璃气室内气体压强的测量装置及测量方法。
背景技术
目前，测量气体压强的手段主要有：1.基于压力式的测量，例如水银气压计、压敏电阻器件等；2.基于电离式的测量，探测端的阴极发射电子碰撞气体会产生电离，通过测量气体中被电离的离子流的大小确定气体压强；3.基于热传导式的测量，通过传热量测量出气体热容量，从而推算出气压。另外，也通过测量热丝电阻的变化速率反映压力(皮拉尼真空计)；4.基于气体粘滞力的测量，例如磁悬浮转子真空规通过测量悬浮钢珠旋转速率衰减的时间测量气压。
对于封闭气室内气体压强进行无破坏测量，在现实应用中具有重要的意义。例如，建筑上使用的真空玻璃可看成由两块玻璃夹持形成的封闭气室，在生产以及使用过程中对内部气压进行测量对于真空玻璃性能的维护具有重要意义。用于激光频率标定的气体玻璃泡通过对玻璃泡烘烤除气后填充特定气体并封装，内部气压对于激光频率的标定也会产生一定的影响。
然而，对于封闭气室内气压的测量，目前的手段都有存在缺陷：基于压力式的、电离式的以及气体粘滞力的测量需要预先在气室内部放置探头；热传导法目前广泛应用于真空玻璃气压的检测，不足的是，该方法需要较长的时间建立热传导过程，方法的精度不高(0.1Pa量级)，并且需要针对特定的应用场景，对于不规则的物体无法实现有效的传热。
发明内容
本发明针对现有的技术存在的上述问题，提供一种封闭玻璃气室内气体压强的测量装置。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：
一种封闭玻璃气室内气体压强的测量装置，其特征在于，所述测量装置包括用于照射待测气体的激光器、扩束透镜、用于封装待测气体的封闭的玻璃气室、收集透镜和光电探测器，所述激光器发射的光束经过所述扩束透镜，之后经过所述玻璃气室，之后再经过所述收集透镜，再由所述光电探测器接收。
其工作原理是：激光器发射的光束(其入射光强为Iout)先通过扩束透镜，扩束透镜对该激光束进行扩束(即增大激光束的半径)，以增大激光束与待测气体中原子的作用区域，扩束后的激光束照射到玻璃气室内，玻璃气室内的待测气体吸收部分激光束，同时部分激光束从玻璃气室内投射出来之后再经过收集透镜，并由光电探测器接收，光电探测器测出其透射光强为Iout。
本实施例基于光共振吸收原理，对于与待测气体某一谱线频率相同的激光光穿过待测气体时，待测气体将吸收激光，假设光强远小于谱线的饱和光强，则入射的光强Iin以及透射光强Iout满足Beer-Lambert关系：
其中n为气体的粒子数体密度，L为气室样品长度，σ0为气体的共振散射截面。
设气体样品的压强为P，气体的温度为T，则由理想气体状态方程可得：
P＝nkT，
其中k玻尔兹曼常数。结合以上两式可得气体压强与入射以及透射光强的关系为：
P＝RTln(Iout/Iin)/(Lσ0NA)。
由于气体温度以及气室的长度均可事先测得，并且其中的物理学常量均为已知，故通过测量入射光强以及出射光强的比值即可求得玻璃气室内的气体压强。
在上述的一种封闭玻璃气室内气体压强的测量装置中，所述待测气体的状态满足理想气体状态方程。
在上述的一种封闭玻璃气室内气体压强的测量装置中，激光器放射的激光束的波长为780nm，激光束的线宽小于1MHz，激光束的光功率密度小于0.3mW/cm2。
在上述的一种封闭玻璃气室内气体压强的测量装置中，所述玻璃气室上设有供激光束通过的窗口。该结构无需在玻璃气室内设置探头。
本发明的另一个目的在于，提供一种封闭玻璃气室内气体压强的测量方法。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：
一种封闭玻璃气室内气体压强的测量方法，包括如下步骤：
A、把激光器发射的激光束的频率调离87Rb的吸收谱线，从零开始增大激光光强，当光电探测器刚好能探测到光强信号时，测量出光的散射以及吸收量Ib；
B、扫描激光器发射的激光束的频率，测出偏离谱线较远处的光强INR以及吸收最强处的光强IR，则对应的气体压强为：
P87＝RTln((INR-Ib)/(IR-Ib))/(Lσ0NA)。
在上述的一种封闭玻璃气室内气体压强的测量方法中，所述激光器发射的激光束的光功率密度为0.1mW/cm2。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
1、相对于电离式、压力式以及气体粘滞力式测量，本测量装置可以直接测量带玻璃窗口的密封气室内的气体压强，无须在气室内部预先放置探测电极。
2、本测量装置通过纯光方式进行探测，相对于现有技术中的测量方式，响应更快。
3、相对于热传导式测量，本测量装置的测量精度更高。
附图说明
图1是实施例一中本测量方法的工作原理框图。
图2是实施例二中本测量方法的工作原理框图。
图中，1、激光器；2、扩束透镜；3、玻璃气室；4、收集透镜；5、光电探测器。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例一
如图1所示，本封闭玻璃气室内气体压强的测量装置包括用于照射待测气体的激光器1、扩束透镜2、用于封装待测气体的封闭的玻璃气室3、收集透镜4和光电探测器5，激光器1发射的光束经过扩束透镜2，之后经过玻璃气室3，之后再经过收集透镜4，再由光电探测器5接收。
激光器1发射的光束(其入射光强为Iout)先通过扩束透镜，扩束透镜2对该激光束进行扩束(即增大激光束的半径)，以增大激光束与待测气体中原子的作用区域，扩束后的激光束照射到玻璃气室3内，玻璃气室3内的待测气体吸收部分激光束，同时部分激光束从玻璃气室3内投射出来，之后再经过收集透镜4，并由光电探测器5接收，光电探测器5测出其透射光强为Iout。
本实施例基于基于光共振吸收原理，封闭玻璃气室3内为单一成分气体，对于与待测气体某一谱线频率相同的激光光穿过待测气体时，待测气体将吸收激光，假设光强远小于谱线的饱和光强，则入射的光强Iin以及透射光强Iout满足Beer-Lambert关系：
其中n为气体的粒子数体密度，L为气室样品长度，σ0为气体的共振散射截面，散射截面能够衡量气体吸收光的能力。
设气体样品的压强为P，气体的温度为T，则由理想气体状态方程可得：
P＝nkT，
其中k玻尔兹曼常数。结合以上两式可得气体压强与入射以及透射光强的关系为：
P＝RTln(Iout/Iin)/(Lσ0NA)。
优选的，待测气体的状态满足理想气体状态方程。
作为优选，激光器1放射的激光束的波长为780nm，激光束的线宽小于1MHz，激光束是光功率密度小于0.3mW/cm2。激光束的线宽是指谱线宽度，它能够反应激光的频率稳定性。
优选的，玻璃气室3上设有供激光束通过的窗口。该结构无需在玻璃气室3内设置探头。
上述封闭玻璃气室内气体压强的测量方法，包括如下步骤：
A、把激光器1发射的激光束的频率调离87Rb的吸收谱线，从零开始增大激光光强，当光电探测器5刚好能探测到光强信号时，测量出光的散射以及吸收量Ib；
B、扫描激光器1发射的激光束的频率，测出偏离谱线较远处的光强INR以及吸收最强处的光强IR，则对应的气体压强为：
P87＝RTln((INR-Ib)/(IR-Ib))/(Lσ0NA)。
优选的，激光器1发射的激光束的光功率密度为0.1mW/cm2。
实施例二
本实施例的工作原理与实施例一基本相同，不一样的地方在于，封闭玻璃气室3内为混合气体，
如图2所示，如玻璃气室3内填充了87Rb和85Rb的混合气体，测量总压强的具体操作为类似于实施实例一，通过扫描激光器1的频率利用87Rb和85Rb的两条独立的谱线(87Rb取52S1/2→52P3/2,F＝2→F'＝3，85Rb的取52S1/2→52P3/2,F＝3→F'＝3，该组谱线的频率差约为4GHz，远大于激光器1线宽以及多普勒展宽)，测出其气体压强P87以及P85，则总的气体压强为：
P＝P87+P85。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.一种封闭玻璃气室内气体压强的测量装置，其特征在于，所述测量装置包括用于照射待测气体的激光器(1)、扩束透镜(2)、用于封装待测气体的封闭的玻璃气室(3)、收集透镜(4)和光电探测器(5)，所述激光器(1)发射的光束经过所述扩束透镜(2)，之后经过所述玻璃气室(3)，之后再经过所述收集透镜(4)，再由所述光电探测器(5)接收。
2.根据权利要求1所述的一种封闭玻璃气室内气体压强的测量装置，其特征在于，所述待测气体的状态满足理想气体状态方程。
3.根据权利要求1所述的一种封闭玻璃气室内气体压强的测量装置，其特征在于，激光器(1)放射的激光束的波长为780nm，激光束的线宽小于1MHz，激光束的光功率密度小于0.3mW/cm2。
4.根据权利要求1所述的一种封闭玻璃气室内气体压强的测量装置，其特征在于，所述玻璃气室(3)上设有供激光束通过的窗口。
5.一种采用权利要求1-4任一项所述的测量装置的封闭玻璃气室内气体压强的测量方法，包括如下步骤：
A、把激光器(1)发射的激光束的频率调离87Rb的吸收谱线，从零开始增大激光光强，当光电探测器(5)刚好能探测到光强信号时，测量出光的散射以及吸收量Ib；
B、扫描激光器(1)发射的激光束的频率，测出偏离谱线较远处的光强INR以及吸收最强处的光强IR，则对应的气体压强为：
P87＝RTln((INR-Ib)/(IR-Ib))/(Lσ0NA)。
6.根据权利要求5所述的一种封闭玻璃气室内气体压强的测量方法，其特征在于，所述激光器(1)发射的激光束的光功率密度为0.1mW/cm2。
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