CO2-H2O气体稳定同位素廓线测量系统

背景简介：
稳定同位素的测定广泛应用于多种研究项目中，而其中¹³C/¹²C，D/H和¹⁸O/¹⁶O比率的研究则可以广泛应用在生态学、水文水利、碳循环、植物水分利用、气候变化等研究方向。也正因为此，同位素比质谱仪等设备得到了广泛的应用。然而同位素比质谱仪存在以下几个方面的不足：①环境条件要求稳定一致，因此无法应用在野外研究，从而造成了数据代表性和滞后性的问题；②无法进行连续测定，从而无法实时了解同位素比率的动态变化；③仪器成本非常高，操作与运行成本也给科学家应用其进行广泛的研究带来了困难。
为了解决以上问题，1994年美国LGR公司首次研发了激光分析仪，解决了低浓度气体无法测定的难题。此后又将该技术应用于同位素研究，在世界上第一次推出了激光同位素分析仪，在经过室内和野外的长期测试之后，技术上取得了很大的突破，并将气体测量频率提高到了1 Hz，从而基本解决了气体同位素的连续同时监测的技术难题，为这方面的研究奠定了坚实的基础。可以预见，在仪器设备与技术改进的同时，该领域的科学研究也将取得长足的进步与突破。

主要特点：
传统的气体分析技术往往采用红外吸收光谱技术，利用CO₂和H₂O对红外线的吸收比例来决定气体的浓度（例如Li-cor公司的Li-7000气体分析仪、PP公司的EGM-4多气体分析仪）。其测量的准确度更多的受红外线的光路长短所决定（光路越长，红外线被气体吸收的强度就越大），25 cm的光路已经足够达到1%的测量准确度。这些分析技术对于测量CO₂（大气浓度360~400 ppm）和H₂O（大气浓度5~20 ppt）等浓度比较高的气体是足够的。在测量CH₄、CO以及同位素气体时，我们可以选择的方法是极大的加长光路，由于痕量气体浓度非常低（经常在1~2 ppm左右，甚至低于1 ppm），要想同样取得1%的准确度甚至需要几千米的光路长度才能积累到足够的吸收强度。然而由于红外线色散比较大（即使所谓非色散的红外分析仪也是如此），如此长的吸收光路显然无法实现，尤其是为了实现这样长的光路，我们往往要采用光学镜面进行上千次的反射，才能达到减小仪器尺寸的目标，采用色散严重的红外线显然无法实现这一目标。
激光光源由于存在色散小、稳定和发射损失少的优点，成为痕量气体测量的技术。LGR首先采用了空腔衰荡光谱技术（CRDS）来设计激光分析仪。在经过长期测试之后，发现其存在噪声大、漂移、稳定性差以及环境条件要求高等问题（尽管其也存在成本低、设计难度小等优点），因而研发了离轴积分光腔输出光谱技术（OA-ICOS），以改进其精度和野外测量的稳定性。
OA-ICOS利用一个精细的光腔作为吸收室，可有效的捕获激光光子，使之在离开光路室前，通过GX反射镜上千次的反射后，有效光路长度达几千米。因此当它通过光腔时，光吸收明显增强。例如，2个间距为25 cm的99.99%反射镜组成光路，有效路径长度是2500 m。路径长度仅取决于光腔中的光的损耗，而不是依靠某一独特光束轨道，便于野外稳定操作。与传统的调谐激光吸收光谱方法一样，激光的波长被调节以选择目标气体的吸收波段，然后记录吸收光谱，结合气体温度、压力、有效光路长度来计算目标气体浓度，而不需要进行外部校准。
在单点同位素气体测定无法满足实验需求的情况下，增加多路气体测定配件，从而实现多点气体采集测量以及垂直梯度的廓线测量。同时系统还考虑了进气口气体冷凝、多路采集的时滞和数据采集与集成与整合等问题。

CCIA性能指标：
重复性/精度（1σ，60秒 / 5分钟）：
δ¹³C：0.2‰ / 0.1‰
δ¹⁸O：2‰ / 1‰
[¹²CO₂]：100 ppb / 50 ppb
[¹³CO₂]：5 ppb / 3 ppb
[CO¹⁸O]：1 ppb / 0.5 ppb
[H₂O]：100 ppm / 50 ppm
测量速度：
所有参数测量频率均能达到1 Hz
测量范围（全量程线性，满足所有技术指标）：
CO₂：300 ~ 25000 ppm
H₂O：4000 ~ 60000 ppm
可选测量范围：
CO₂：0 ~ 50000 ppm
H₂O：0 ~ 70000 ppm，无冷凝
响应时间：
1秒（流速响应<6秒需要配置可选外置泵）
最大漂移（1小时平均，标准温度压力，24小时）：
δ¹³C: < 0.5‰

WVIA性能指标：
重复性/精度（1σ，10 秒/100秒）：
δ²H：0.5‰ / 0.2‰
δ¹⁷O：0.15‰ / 0.05‰（model 911-0034）
δ¹⁸O：0.15‰ / 0.05‰
[H₂O]：0.2% / 0.07%
最大漂移（15分钟平均，标准温度压力，24小时）
δ²H：0.8‰
δ¹⁷O：0.2‰（model 911-0034）
δ¹⁸O：0.2‰
[H₂O]：0.1%
测量速率：
最快可达2 Hz（5 Hz可定制）
准确度：
不确定性< 0.1%（连接WVISS）
测量范围：
1000 ~ 60000 ppm，非冷凝（小于100 ppm可定制）

系统指标：
环境条件：
样品温度：-20~50 ℃
操作温度：0~45 ℃
环境湿度：0~100% RH，无冷凝
温度控制精度：
0.003 ℃
压力控制精度：
0.001 torr
输出：
数字（RS 232）、以太网、USB
电力需求：
115/230 VAC，50/60 Hz，350 W+200 W
尺寸与重量：
二氧化碳同位素分析仪：27.9cm（H）x 96.5cm（W）x 55.9cm（D），50 kg
水汽同位素分析仪（台 式）：27.9cm（H）x 96.5cm（W）x 55.9cm（D），40 kg
水汽同位素分析仪（机架式）：35.6 cm（H）x 48.3 cm（W）x 61 cm（D），36 kg

订货信息：
型号（Model）：
912-0003（台 式，δ¹³C, δ¹⁸O, CO₂, H₂O）
912-0004（台 式，δ²H, δ¹⁸O, H₂O）
911-0004（机架式，δ²H, δ¹⁸O, H₂O）
912-0034（台 式，δ²H, δ¹⁷O, δ¹⁸O, H₂O）
911-0034（机架式，δ²H, δ¹⁷O, δ¹⁸O, H₂O）
可选附件：
1.908-0003-9001或MIU-377-16：16道多路器
2.908-0003-9002或MIU-374-8：8道多路器
3.908-0001-9011：N940 真空泵（气体更新时间1秒）
4.907-0005-9002：动态稀释系统，可自动进行稀释并扩展量程100倍
5.908-0005-9002：间断注入系统，可通过手动进样，测量气袋内样品
6.904-0002：数据采集软件（包含USB/RS 232线缆），可记录并同步多台LGR分析仪或者其他设备（如GPS、风速计等）输出的数据

制造商：
美国Los Gatos Research