痕体监测仪

激光痕量气体监测仪的新进展：性能和噪音分析（Recent progress in laser?based trace gas instruments: performance and noise analysis ，J. B. McManus M. S. Zahniser D. D. Nelson J. H. Shorter S. C. Herndon D. Jervis M. Agnese R. McGovern T. I. Yacovitch J. R. Roscioli， Appl. Phys. B (2015) 119:203–218）摘要我们用一些近来的数据回顾了使用中红外量子级联激光器，带间级联激光器和锑化二极管激光器的发展。这种监测仪主要用于高精度和高灵敏度测量大气中的痕量气体。在高性能软件的控制下，利用吸收光谱进行快速扫描，集成和高精度拟合。通过中红外波段，实现了出色的灵敏度。Aerodyne监测仪证明了在自然情况下痕量气体的测量精度达到1012级别，可实时测量CO2，CO，CH4，N2O和H2O的同位素。我们还描述信号处理方法，以识别和降低测量噪音。光谱信息分析的原理是将光谱加载到数组中并利用滤波片，傅立叶分析，多元拟合和成分分析进行处理。我们提供一个仪器噪音分析的实例，噪音是由电子信号与光干涉条纹混合形成。引言随着各种中红外单片固态激光器的问世，使用基于中红外激光仪器，对大气痕量气体的高精度测量已经成为常规，包括量子级联激光器（QCL），带间级联激光器（ICL）和基于锑化物的二极管激光器（TDL）。在3μm附近的波长范围内有缺口，但现在，设计人员有更多选择，在3μm附近的波长区域频率使用混合技术。在本文中，我们回顾Aerodyne Research，Inc.（下称ARI）公司使用中红外激光监测仪测量不同的痕量气体，并达到高灵敏度和/或高精度水平。这些仪器基于快速扫描和精确光谱拟合的直接吸收光谱，在高性能软件的控制下，在中红外波段，利用长光程，在减压情况下，通过热电冷却的激光和探测器实现出色的灵敏度。这里介绍了两种仪器：单激光仪器，光程长度最大为76 米；双激光仪器，光程长度最大为210 米。通过仔细选择波长，我们可以用单激光器同时测量多种气体。根据吸收率来说，仪器噪音在1 s的平均值为?5×106，可以测量1012级别大气中的气体]。这些仪器可以在多种环境中使用，包括实验室，偏远现场和移动平台（如卡车，轮船和飞机）。ARI公司仪器介绍及其性能一般来说，对于高浓度气体，几毫米的测量光程可能就足够了；但对于痕量气体来说，则需要数百米光程。Aerodyne气体监测仪仪器使用中红外快速频率扫描，直接吸收光谱并进行精确光谱拟合。仪器在减压池中利用较长吸收光程的新型红外激光源，对多种气态分子提供灵活而直接的高精度测量。光谱仪的基本配置比较简单：首先是激光源，然后是多反腔，最后是探测器。图1显示了这种装置。多反腔有确定的路径长度，符合标准的激光可以传输到检测器，对样品气体的测量基于比尔-兰伯特定律。在许多情况下，激光扫描气体出现多个吸收峰，从而测量多个不同气体。让两道或更多激光通过吸收室，或者使用单个检测器时分复用，可以测量更多的气体。Aerodyne监测仪尽可能使用反射光学元件，光学系统几乎没有色散。通过选择不同波段激光和激光驱动，选择峰值灵敏度不同的检测器来匹配，测量给定单一气体或一组气体。对于不同的测量目的，选择不同的吸收光程。一般多反腔的光程为7–76 米，一般使用宽带透镜；对于浓度非常低的气体，210米光程的窄带高反射率透镜可以提高灵敏度。仪器的优化在过去的几年中，我们持续对仪器进行了改进，比如使用了新型的电流驱动器，它提供了QCL高顺从电压情况下的低噪音电流。我们还设计了低噪音激光驱动和其他电子设备，降低整个系统的噪音。使得平均1s采样情况下，吸收噪音为?5×106，在均时100 s具有更高的精度，这相当于约5×10-7的最终吸收噪音。很多因素使得噪音超过检测器限度，特别是窄带电子噪音和光学干涉条纹。中红外激光微量气体仪器由Aerodyne Research，Inc.生产的操作软件“ TDLWintel”控制，让每条激光可以设置为时分复用。TDLWintel可控制监测仪的操作并实时处理数据。两种激光电流斜率由TDLWintel定义，然后对检测到的信号采样（16位A / D在?1-1.5 MHz下运行），同步求平均，基于HITRAN参数以及测得的温度和压力的曲线，与计算出的吸收值拟合，可以对多达16种气体混合比实时记录。数据可以以10Hz采样频率记录，最大有效数据率由泵抽速和吸收池的大小决定。实验过程中一些情况，比如阀门开关或背景消减，也可由TDLWintel软件控制。我们展示了单激光（76米光程）和双激光监测仪（76米或者210米光程）的气体测量噪音结果（平均1s），分别在表1和表2中，测量噪音为以空气中的混合比表示，同时提供了噪音的不确定性。根据不同的吸收路径和测量情况，吸收噪音最佳的结果在1s内约为?5×106。仪器适用在各种环境中，无论是在实验室还是在野外实验中。野外现场包括偏远位置或在移动平台（例如轮船，卡车和飞机）上。我们在最近20年在许多野外现场使用过这些仪器。在过去的几年中，Aerodyne “移动实验室”已配备了多种气相仪器（单激光和双激光监测仪）以及测量颗粒物和较重的有机化合物配套仪器。如测量天然气中的甲烷排放，或者测量两种气体示踪物（例如，亚硝酸盐氧化物和乙炔），移动实验室可以直接开到附近，测量示踪气体以及甲烷。另外，通过测量乙烷（常见天然气的成分），我们可以区分来自天然气设施的甲烷和来自生物来源的甲烷。仪器的噪音分析 了解测量噪音源对于保持仪器性能水平至关重要，通常将重点放在最终的噪音源分析和讨论上，例如探测器噪音，激光噪音或散射噪音。其他噪音源，统称为“技术噪音”，可能来自光学和电子方面，并可能是噪音的主要来源。而在在短时间尺度上的噪音可能是更长的时间范围的漂移。不同的噪音源可能表现出不同的功率谱密度（PSD），例如检测器噪音，而Johnson噪音通常具有平坦的PSD（即白噪音），而激光噪音会表现出闪烁噪音（1 / f PSD）。噪音可能会在频谱中产生随机波动，或者它可能具有窄带频率。另一个复杂因素是信号处理算法对噪音信号的响应。对于Aerodyne，混合比噪音是对噪音信号，以及压力和温度变量中多元拟合的结果。了解和减少噪音的第一步是使用Allan–Werle方差工具分析混合比噪音图（方差作为平均时间的函数）以及功率谱，并将噪音划分类型。Allan-Werle方差工具是一种通用工具，可以评估短时噪音和平均时间极限。按类型划分噪音有助于指示其来源。三种常用噪音包括是暗噪音，轻噪音和成比例噪音。 “暗噪音”（即，在检测器被堵塞的情况下报告的混合比）包括检测器噪音，基本电子（Johnson）噪音以及其他多余的电子噪音。“轻噪音”（正常光照水平但吸收深度很小）包括所有暗噪音加激光噪音（1/f，即闪烁噪音和散射噪音），激光驱动电流噪音（产生幅度波动）和干涉条纹的变化。 “比例噪音”（吸收深度较大时看到的多余噪音）包括激光驱动电流噪音，压力和温度噪音以及峰值位置运动结合调谐率误差。频谱数组处理将频谱分解为许多部分，并显示出较多变量。通常应用于频谱数组的处理工具包括减去偏移量，平均值，拟合度，统计量度，变量[p]，[q]或这两者的傅立叶变换，相关性，和主成分分析。尽管有很多处理的实例，但是很难提出一个通用的分析方法，帮助我们了解所看到的一切。即使我们“解剖”光谱并找到大的干涉条纹，这不一定意味着干涉条纹是多余噪音的来源，比如干涉条纹不动或它们的频率太高而无法影响拟合。为了确定，我们需要确定导致多余的噪音因素，该因素的短期波动应与混合比的波动匹配。我们通过一个噪音分析的例子说明了分析过程。结果表明，多余噪音是由两种波的混合，即光学干涉条纹和电子信号混合导致的，产生的低频成分，明显影响混合比的测定，而任一单一波则对结果几乎没有影响。结论 我们对当前Aerodyne Research，Inc.生产的微量气体激光测量仪器进行了综述。提供了一组气体，以及同位素比的测量结果。仪器在性能上的改进包括降低了电源和激光驱动噪音。另外，制造工序变得更加精简。目前吸收噪音在1s内达到?5×106。然而，为获得最佳性能，仍然需要对噪音做进一步的探索。本文中的实例显示，多余噪音是由两种波的混合，由光学干涉条纹和电子信号混合导致。仪器的相关优势1. 持续对仪器的改进及噪音的分析，测量痕量气体的精度更高，测量气体达到ppt级别，甚至在10Hz的频率仍然保持极高的精度；2. 一次同时测量多种气体，消除了多台仪器测量时气体产生的系统误差并大大提高效率；3. 仪器适用于多种环境，满足实验室测量，野外远程测量和移动测量需求。 欲了解该产品的更多特点，欢迎咨询联系澳作生态仪器有限公司

Vocus ABC 监测仪TOFWERK半导体无尘室中的气态分子污染物（AMCs）对晶圆良率和效率至关重要。一般来说，无尘室中有多种常见污染源的可能，包括通风系统、泄漏、设备故障、清洁试剂和人为排放等。传统监测技术很难全面监测AMC所包含的各种不同种类化合物，且数据分析速率较慢。当晶圆制程向更小尺寸发展，即使痕量浓度（TOFWERK响应速度Vocus ABC监测仪采用实时化学电离飞行时间质谱法，结合专利技术的快速电压极性和试剂离子切换，支持同时多达六种试剂离子的化学电离模式。2秒周期内可对多种AMC进行光谱覆盖。图1展示了Vocus ABC 监测仪的快速响应速度。上插图显示了同时测定的MEK、PGME和PGMEA的浓度，而下图显示了用另一种试剂离子同步测量的甲苯。图1 图1. Vocus ABC监测仪在物种浓度变化时的整体响应时间。图中的x轴表示目标浓度，而Y轴是所选化合物的测量浓度。TOFWERK无碎片软电离AMC在软电离检测条件下几乎不产生离子碎片，从而实现了简化的解谱过程，高准确性的定量分析和未知物定性能力。丙二醇甲醚醋酸酯（PGMEA，108-65-6）、丙二醇甲醚（PGME，107-98-2）和甲乙酮（MEK，78-93-3）在电离过程中通常会产生相似度较高的碎片，用传统的CI质谱仪很难区分。本文图2展示了Vocus ABC监测仪的软电离无碎片分别检测的强大能力。图2. 顺序在ABC检测仪前引入或移除PGMEA、PGME和MEK源，ABC检测仪实现了对这些具有挑战性的化合物的分别检测。因无电离碎片，上述三种物种检测过程无相互干扰。TOFWERK线性响应Vocus ABC监测仪可实时准确地检测出单ppt级别的浓度，与传统技术相比，可实现更大浓度范围的污染检测和管控。表1列出了Vocus ABC监测仪对部分AMC物种的检测下限（LOD），图3和图4则列出了标定的线性度。表1 Vocus ABC对半导体制造相关AMC物种的LOD图3. 甲苯的检测线性范围TOFWERK重现性、准确性图4. 为了证明重现性、准确性和响应时间，MEK、PGME和甲苯的浓度梯度增加后归零，随后重复两次。左Y轴为检测信号，右Y轴为浓度。这3种AMC是经过标气（含12种化合物）稀释后测量的，整体VOC浓度约为1200 ppb。TOFWERK其他应用场景Vocus ABC监测仪适合半导体产业的各种应用场景，包括材料逸出、洁净室多通路监测、瞬时测漏和FOUP污染监控。点击对应链接可查看具体应用。图5是洁净室泄露监测实例，Vocus ABC检测仪全程检测了甲苯和氨气的泄漏过程。图6展示了ISO 5级无尘室中某材料逸出AMC的测量结果。图5. 在ISO 5级的精细化学洁净室中检测到的氨气和甲苯泄漏图6. 在ISO 5级无尘室中的材料脱气。材料用零气不间断冲洗，并经Vocus ABC监测仪直接检测。每个时间序列都同时使用3种不同的化学电离方式，从而光谱监测各种不同种类AMC。

气体检测仪主要用来检测气体环境中存在的CO、SO2、HCL、NOX、H2S、甲醛、氨气、O2、H2、CO2 、CH4、SO2、N2O、微生物、颗粒物等物质的种类与含量，包括尾气检测仪、烟气分析仪、在线自动气体监测系统、粉尘测定仪等种类。 　　目前市场主流的气体检测仪供应商既有四方光电、武汉天虹、上海秀中、聚光科技、上海宝英、中科天融、北京华云等国产厂商，也有捷锐、仕富梅、德图仪器、赛默飞世尔科技、TSI、豪迈等国外公司。 　　2011年上半年，共有5台气体检测仪在仪器信息网上发布。英国仕富梅集团有限公司推出了DF-760E氧分析仪，澳大利亚Ecotech公司UoW FTIR 多要素温室气体分析仪在中国上市，武汉四方光电科技有限公司发布了GASBOARD-3000在线红外烟气分析仪，而青岛高科技工业园雷博电子仪器厂的7010-TDLAS气体监控系统、1060恶臭气体检测仪两款新品也相继上市。 　　各类产品更多详细内容见如下各分类，排名不分先后。　　 英国仕富梅集团有限公司 DF-760E氧分析仪 (上市时间：2011年1月) 　　DF-760E氧分析仪可单独测量，或是与Delta F NanoTrace氧分析仪组合在同一个的19”机架上进行测量。 　　仪器特点： 　　1.采用了基于高精度、高性能TDLAS湿度分析的行业标准O2分析技术，对O2和湿度分析水平能达到ppt级，且分析速度快； 　　2.分析过程不会消耗阳极、没有漂移，不需频繁的校准。 武汉四方光电科技有限公司 GASBOARD-3000在线红外烟气分析仪 (上市时间：2011年1月) 　　基于气体对红外光吸收的郎伯--比尔吸收定律，采用最新的NDIR技术，该仪器实现烟气成分中不同浓度SO2、NO、CO、CO2、O2气体的高精度连续检测。适用于锅炉、窑炉尾气污染物成分及燃烧效率监控，水泥生产线工艺及安全监控，以及CEMS系统配套。 　　仪器特点： 　　1.采用国际先进的微流红外气体分析技术,实现低浓度烟气测试； 　　2.采用水分修正技术,消除了气态水对SO2、NO的干扰； 　　3.采用恒温及温度修正技术，消除了环境温度的影响，采用自动校准技术，减少了人工维护成本。 青岛高科技工业园雷博电子仪器厂 7010-TDLAS气体监控系统(化工园区无组织排放源监控系统) (上市时间：2011年1月) 　　7010-TDLAS气体监控系统较好地解决了传统采样气体分析系统的不足，满足了高炉炼铁过程中连续实时分析过程气体浓度的需要。 　　仪器特点： 　　1.综合利用激光可调制(TDLAS)、紫外差分吸收光谱(DOAS)等激光光学及光谱学气体检测技术、GIS/GPS技术、无线通讯技术、计算机网络等先进技术； 　　2.可扩充性：设计上采用规范的数据和通讯接口，满足将来其它工业园区业务升级的需要； 　　3.兼容性：保护用户的已有投资，确保系统向上和向下两个方向的兼容性。 青岛高科技工业园雷博电子仪器厂 1060恶臭气体检测仪 (上市时间：2011年1月) 　　1060恶臭气体检测仪基于氨气、三甲氨、硫化氢、甲硫醇、甲硫醚、二甲二硫、二硫化碳、苯乙烯等恶臭气体在185-360nm紫外区域的强吸收特征光谱，选用进口的高分辨率的微型光谱仪，结合嵌入式单板机控制技术由雷博光电精心设计的高分辨率低探测限的恶臭气体监测仪，可以连续监测工矿企业的无组织排放源排放的上述气体的实时浓度。 　　仪器特点： 　　1.采用董氏吸收池，光路长达20-30m，大大提高检测分辨率； 　　2.检测项目多，可根据顾客要求添加标准分子谱图，增加监测项目； 　　3.结构设计合理，即可作为便携式仪器使用，也可自动在线连续监测。 澳大利亚Ecotech公司 UoW FTIR 多要素温室气体分析仪 (上市时间：2011年6月) (代理商：北京赛克玛环保仪器有限公司) 　　UoW FTIR 多要素温室气体分析仪采用多光程——傅里叶红外变换(FTIR)光谱测量解析技术和高性能红外检测元器件，结合了完善的控制软件系统，可实现多种功能。 　　仪器特点： 　　1.同时在线测量多种温室气体的浓度和同位素丰度，应用方式广泛、多样； 　　2.全自动运行，可遥控，维护成本低、消耗量少，适于长期连续观测； 　　3.也可根据用户需求，改变地相应的配置，测量其他种类的痕量气体。　　此外，美国英思科公司于2011年6月推出一款用于便携式气体检测仪的即插即用式自动管理系统，它具备自动处理标定、通气测试、仪器固件升级以及设置报警限值等功能。 　　了解更多气体检测仪，请浏览仪器信息网气体检测仪栏目。 　　了解更多新品，请访问仪器信息网新品栏目。 　　关于申报新品 　　凡是“网上仪器展厂商”都可以随时免费申报最新上市的仪器，所有经审批通过的新品将在仪器信息网“新品栏目”、“网上仪器展”、“仪器信息网首页”等进行多方位展示 一些申报材料齐全、有特色的新品还将被推荐到《仪器快讯》杂志上进行刊登 越早申报的新品，将获得更多的展示机会。