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應用

APPLICATION

VPH光譜儀在氣體成分監控中的應用

石油或是天然氣的勘探開采過程中，我們經常氣測錄井工作是非常重要的檢測手段。可以通過實時分析鉆井中的氣體成分和相關含量來分析油氣層的位置和儲量。氣相色譜法（GC）經常用來監測分析多成分的氣體，但是其在某些應用場景也受到限制，例如快速的現場檢測，氣相色譜儀需要多種附屬設備，氣路結構也比較復雜，操作過程繁瑣等問題。其次是氣相色譜法不能同時測量烷烴類和非烷烴類氣體。因此近些年來拉曼光譜技術還是被引入到這一應用當中，相較于氣相色譜法，拉曼光譜分析的有點有很多：
1， 拉曼光譜技術不需要繁瑣的管道，沒有高昂的造價，也不用專門訓練操作員，
2， 可以同時快速獲得烷烴類和非烷烴類氣體信息。
氣體錄井檢測中使用的拉曼光譜儀一般采用光通量較大的透射式光譜儀，主要實驗過程如下所示：
 
圖1：在線氣體拉曼光譜儀簡圖
圖2：透射式光柵光譜儀結構簡圖
上圖中532nm 激光經過望遠鏡系統，由分束片反射后聚焦進入采樣腔，拉曼信號經由收集光路進入光譜儀。進氣和出氣管道都接有溫度傳感器和氣流閥門，可以實時監控檢測腔內氣體溫度和控制待測氣體的流速。一般這類應用光譜儀的選取主要是選用透射式光柵光譜儀，其內部結構如下：
該類光譜儀的特點是：1，相較于反射式光柵其通光量明顯由于前者，2，一次檢測范圍也比較寬。例如用1800L/mm 的透射式光柵，譜儀后面接上感光面約有30mm 寬的相機，一次拍攝的范圍可以到4200cm-1 以上，且分辨率可以在10cm-1 以內。每種氣體都有自己的拉曼峰，這樣的指紋特性，可以幫助我們分析從低波數（幾百波數）到四千多波數大跨度范圍同時監控。
在錄井分析時，混合氣體的拉曼光譜會比較復雜，常會有許多重疊峰出現。因此科學家開發出新的計量分析方法，可以解卷積疊加的光譜并且可以忽略背景和基質效應。其中有一種方法叫data driven Raman spectroscopy（DDRS）。此方法是偏*小二乘法分析（PLS）的一種應用。在拉曼光譜分析中，它不是基于匹配單個峰來分析光譜，而是可以在復雜多組分的混合氣體中，幫助分離出針
對相關組分*有用，*相關的拉曼光譜來分析。因此這種方法不僅能夠定性判斷氣體組成，也可以進一步做定量分析，使得錄井勘探更加有效率。
圖3：不同濃度下的多種烴類氣體混合物的拉曼光譜（摘自[1]）
卓立漢光近年來也開發出一款基于透射式光柵的光譜儀，VPH 系列光譜儀。
圖4：VPH 光譜儀
主要技術特點：
1，超高的光通量
極小的F 數：F/2.3
完美的光纖耦合能力：能夠100%收集NA0.22 光纖導入的光信號
2，超高的光收集效率
高透射VPH 光柵保 證了高衍射效率，增透鍍膜透鏡確保了*大的通光效率，從而實現了可見或近紅外*大的通光量
3，極低的雜散光
VPH 光柵--平滑的衍射效率曲線所造就的極低的雜散光
4，幾乎完美的光譜成像質量
5，緊湊堅固的設計
所有部件作為一個整體模塊進行預調校，光路穩定，不會受到運輸過程中的碰撞影響
6，高光譜分辨率
型號Omni-iSpecT532A1，5cm-1@585nm，50um 狹縫
型號Omni-iSpecT785A1，3cm-1@912nm，50um 狹縫
Reference：
1. Xi Han a, Zhi-xuan Huang, Xiao-dong Chen, Qi-feng Li,Ke-xin Xu, Da Chen, Fuel, 207, 143 (2017).
2. KONG Andong，YANG Dewang，GUO Jinjia，WU Lulu，YAN Aoshuang，ZHOU Faju，WAN Yaqi，Optics
and Precision Engineering，30(10)，1151（2022））