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背景簡介：

穩(wěn)定同位素的測定廣泛應(yīng)用于多種研究項(xiàng)目中，而其中¹³C/¹²C，D/H和¹⁸O/¹⁶O比率的研究則可以廣泛應(yīng)用在生態(tài)學(xué)、水文水利、碳循環(huán)、植物水分利用、氣候變化等研究方向。也正因?yàn)榇耍凰乇荣|(zhì)譜儀等設(shè)備得到了廣泛的應(yīng)用。然而同位素比質(zhì)譜儀存在以下幾個(gè)方面的不足：①環(huán)境條件要求穩(wěn)定一致，因此無法應(yīng)用在野外研究，從而造成了數(shù)據(jù)代表性和滯后性的問題；②無法進(jìn)行連續(xù)測定，從而無法實(shí)時(shí)了解同位素比率的動(dòng)態(tài)變化；③儀器成本非常高，操作與運(yùn)行成本也給科學(xué)家應(yīng)用其進(jìn)行廣泛的研究帶來了困難。

為了解決以上問題，1994年美國LGR公司**研發(fā)了激光分析儀，解決了低濃度氣體無法測定的難題。此后又將該技術(shù)應(yīng)用于同位素研究，在世界上**次推出了激光同位素分析儀，在經(jīng)過室內(nèi)和野外的長期測試之后，技術(shù)上取得了很大的突破，并將氣體測量頻率提高到了1 Hz，從而基本解決了氣體同位素的連續(xù)同時(shí)監(jiān)測的技術(shù)難題，為這方面的研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。可以預(yù)見，在儀器設(shè)備與技術(shù)改進(jìn)的同時(shí)，該領(lǐng)域的科學(xué)研究也將取得長足的進(jìn)步與突破。

主要特點(diǎn)：

傳統(tǒng)的氣體分析技術(shù)往往采用紅外吸收光譜技術(shù)，利用CO₂和H₂O對紅外線的吸收比例來決定氣體的濃度（例如Li-cor公司的Li-7000氣體分析儀、PP公司的EGM-4多氣體分析儀）。其測量的準(zhǔn)確度更多的受紅外線的光路長短所決定（光路越長，紅外線被氣體吸收的強(qiáng)度就越大），25 cm的光路已經(jīng)足夠達(dá)到1%的測量準(zhǔn)確度。這些分析技術(shù)對于測量CO₂（大氣濃度360~400 ppm）和H₂O（大氣濃度5~20 ppt）等濃度比較高的氣體是足夠的。在測量CH₄、CO以及同位素氣體時(shí)，我們可以選擇的方法是極大的加長光路，由于痕量氣體濃度非常低（經(jīng)常在1~2 ppm左右，甚至低于1 ppm），要想同樣取得1%的準(zhǔn)確度甚至需要幾千米的光路長度才能積累到足夠的吸收強(qiáng)度。然而由于紅外線色散比較大（即使所謂非色散的紅外分析儀也是如此），如此長的吸收光路顯然無法實(shí)現(xiàn)，尤其是為了實(shí)現(xiàn)這樣長的光路，我們往往要采用光學(xué)鏡面進(jìn)行上千次的反射，才能達(dá)到減小儀器尺寸的目標(biāo)，采用色散嚴(yán)重的紅外線顯然無法實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

激光光源由于存在色散小、穩(wěn)定和發(fā)射損失少的優(yōu)點(diǎn)，成為痕量氣體測量的**技術(shù)。LGR首先采用了空腔衰蕩光譜技術(shù)（CRDS）來設(shè)計(jì)激光分析儀。在經(jīng)過長期測試之后，發(fā)現(xiàn)其存在噪聲大、漂移、穩(wěn)定性差以及環(huán)境條件要求高等問題（盡管其也存在成本低、設(shè)計(jì)難度小等優(yōu)點(diǎn)），因而*終研發(fā)了離軸積分光腔輸出光譜技術(shù)（OA-ICOS），以改進(jìn)其精度和野外測量的穩(wěn)定性。

OA-ICOS利用一個(gè)精細(xì)的光腔作為吸收室，可有效的捕獲激光光子，使之在離開光路室前，通過高效反射鏡上千次的反射后，有效光路長度達(dá)幾千米。因此當(dāng)它通過光腔時(shí)，光吸收明顯增強(qiáng)。例如，2個(gè)間距為25 cm的99.99%反射鏡組成光路，有效路徑長度是2500 m。路徑長度僅取決于光腔中的光的損耗，而不是依靠某一獨(dú)特光束軌道，便于野外穩(wěn)定操作。與傳統(tǒng)的調(diào)諧激光吸收光譜方法一樣，激光的波長被調(diào)節(jié)以選擇目標(biāo)氣體的吸收波段，然后記錄吸收光譜，結(jié)合氣體溫度、壓力、有效光路長度來計(jì)算目標(biāo)氣體濃度，而不需要進(jìn)行外部校準(zhǔn)。

在單點(diǎn)同位素氣體測定無法滿足實(shí)驗(yàn)需求的情況下，增加多路氣體測定配件，從而實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)氣體采集測量以及垂直梯度的廓線測量。同時(shí)系統(tǒng)還考慮了進(jìn)氣口氣體冷凝、多路采集的時(shí)滯和數(shù)據(jù)采集與集成與整合等問題。

CCIA性能指標(biāo)：

重復(fù)性/精度（1σ，60秒 / 5分鐘）：

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

測量速度：

所有參數(shù)測量頻率均能達(dá)到1 Hz

測量范圍（全量程線性，滿足所有技術(shù)指標(biāo)）：

CO₂：300 ~ 25000 ppm

H₂O：4000 ~ 60000 ppm

可選測量范圍：

CO₂：0 ~ 50000 ppm

H₂O：0 ~ 70000 ppm，無冷凝

響應(yīng)時(shí)間：

1秒（流速響應(yīng)<6秒需要配置可選外置泵）

**漂移（1小時(shí)平均，標(biāo)準(zhǔn)溫度壓力，24小時(shí)）：

δ¹³C: < 0.5‰

WVIA性能指標(biāo)：

重復(fù)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%

**漂移（15分鐘平均，標(biāo)準(zhǔn)溫度壓力，24小時(shí)）

δ²H：0.8‰

δ¹⁷O：0.2‰（model 911-0034）

δ¹⁸O：0.2‰

[H₂O]：0.1%

測量速率：

*快可達(dá)2 Hz（5 Hz可定制）

準(zhǔn)確度：

不確定性< 0.1%（連接WVISS）

測量范圍：

1000 ~ 60000 ppm，非冷凝（小于100 ppm可定制）

系統(tǒng)指標(biāo)：

環(huán)境條件：

樣品溫度：-20~50 ℃

操作溫度：0~45 ℃

環(huán)境濕度：0~100% RH，無冷凝

溫度控制精度：

0.003 ℃

壓力控制精度：

0.001 torr

輸出：

數(shù)字（RS 232）、以太網(wǎng)、USB

電力需求：

115/230 VAC，50/60 Hz，350 W+200 W

尺寸與重量：

二氧化碳同位素分析儀：27.9cm（H）x 96.5cm（W）x 55.9cm（D），50 kg

水汽同位素分析儀（臺(tái) 式）：27.9cm（H）x 96.5cm（W）x 55.9cm（D），40 kg

水汽同位素分析儀（機(jī)架式）：35.6 cm（H）x 48.3 cm（W）x 61 cm（D），36 kg

訂貨信息：

型號(hào)（Model）：

912-0003（臺(tái) 式，δ¹³C， δ¹⁸O， CO₂， H₂O）

912-0004（臺(tái) 式，δ²H， δ¹⁸O， H₂O）

911-0004（機(jī)架式，δ²H， δ¹⁸O， H₂O）

912-0034（臺(tái) 式，δ²H， δ¹⁷O， δ¹⁸O， H₂O）

911-0034（機(jī)架式，δ²H， δ¹⁷O， δ¹⁸O， H₂O）

可選附件：

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（氣體更新時(shí)間1秒）

4.907-0005-9002：動(dòng)態(tài)稀釋系統(tǒng)，可自動(dòng)進(jìn)行稀釋并擴(kuò)展量程100倍

5.908-0005-9002：間斷注入系統(tǒng)，可通過手動(dòng)進(jìn)樣，測量氣袋內(nèi)樣品

6.904-0002：數(shù)據(jù)采集軟件（包含USB/RS 232線纜），可記錄并同步多臺(tái)LGR分析儀或者其他設(shè)備（如GPS、風(fēng)速計(jì)等）輸出的數(shù)據(jù)

制造商：

美國Los Gatos Research