碳氮水同位素同步观测系统

同位素技术具有指示、示踪和整合功能,可以辅助解析生态系统碳氮水的生物地球化学循环过程与机制。同时监测碳氮同位素如CH₄、δ¹³C(CH₄)、N₂O、δ¹⁵N ¹⁴N¹⁶O、δ¹⁴N ¹⁵N¹⁶O、δ¹⁸O(N₂O) 和碳水同位素 如CO₂、δ¹³C(CO₂)、δ¹⁸O(CO₂)、H₂O、δ¹⁸O(H₂O)、δH^DO可以为研究生态系统碳循环、氮水循环和水循环的耦合过程提供重要数据支撑。

Aerodyne碳氮水同位素同步观测系统，一台分析仪器可在线监测多个同位素，测量频率可达10Hz。

测量原理：                                                     

      该系统采用可调谐红外激光直接吸收光谱(TILDAS)技术，在中红外波长段探测分子最显著的指纹跃迁频率。采用像散型多光程吸收池技术（获得专利）——其光路可达76m甚至更长（210m），进一步提高了灵敏度。

直接吸收光谱法，可以实现同位素的快速测量（<1s），而且不需要复杂的校准步骤。此外，采用TILDAS技术，可不受其他分子的干扰，能够得到非常精准的检测，检测限达ppt级别，测量频率可达10Hz。

测量参数：

?  CH₄、δ¹³C(CH₄)、N₂O、δ¹⁵N ¹⁴N¹⁶O、δ¹⁴N¹⁵N¹⁶O、δ¹⁸O(N₂O)

?  CO₂、δ¹³C(CO₂)、δ¹⁸O(CO₂)、H₂O、δ¹⁸O(H₂O)、δHDO

?  N₂O、CH₄、H₂O、CO₂、δ¹³C-CO₂、δ¹⁸O-CO₂

技术特点：

1、 中红外直接吸收光谱，具有快速的频率扫描（1-3 kHz）和精确的光谱拟合，长路径吸收检测腔提供足够的路径长度，吸收深度足以进行精确测量，最佳的光学深度在0.1和1之间。

 2、 一台仪器同时测量CH₄、N₂O多个同位素，如CH₄、δ¹³C(CH₄)、N₂O、δ¹⁵N ¹⁴N¹⁶O、δ¹⁴N ¹⁵N¹⁶O、δ¹⁸O(N₂O)，光谱如下：

3、长路径检测腔具有一定的光路程长度，并且可以将相当一部分激光传输到探测器，使探测器噪声的影响降到最低。测量CH₄、N₂O同位素采用长路径检测腔。

4、一台仪器同时测量CO₂ 水汽同位素，如CO₂、δ¹³C(CO₂)、δ¹⁸O(CO₂)、H₂O、δ¹⁸O(H₂O)、δHDO，光谱图如下：

5、设备运行软件TDLWintel既能控制光谱仪的运行，又能实时处理数据。控制每次激光测量频率迅速扫描覆盖气体吸收线和吸收线两侧的基线部分,然后减少激光电流低于阈值使每个扫描测量信号都是从零光谱输出开始。

 6、高精度温度控制仪器外箱，减少温度变化对测量精度的干扰。恒温外箱将保持

其设定值温度(通常为30?C)至±0.1?C。规定的环境温度范围为-20?C至+ 40?C。恒温箱是密封的，与周围空气隔离。

7、该系统由TDLWintel操作软件控制16路旋转采样阀。确保完成如下工作：

A、能够在流量高达1SLPM的情况下采样多达16路输入线(用于做剖面测量，校准或腔室测量)

B、能够在快流量涡度通量模式(10slpm)和浓度测量模式(<= 1slpm)之间平滑切换，调节进口和出口控制阀。

8、GPS网络时间校准，可配置NTP (network-time-protocol)设备的GPS，用于系统校时。

技术指标：

测量精度: 1s/100s：

CH₄：0.2ppb/0.05ppb；δ¹³C(CH₄)：1‰/0.2‰；

N₂O ：0.03ppb/0.01ppb；

δ¹⁴N¹⁵N¹⁶O：6‰/1.5‰；

δ¹⁵N¹⁴N¹⁶O：9‰/2.3‰；

δ¹⁴N¹⁴N¹⁸O：12‰/3‰；

CO₂：0.1ppm/0.03ppm；

δ¹³C(CO₂)：0.1‰/0.03‰；

δ¹⁸O(CO₂)：0.1‰/0.03‰；

H₂O：10ppm/5ppm；

δ¹⁸O(H₂O)：0.1‰/0.03‰；

δHDO：0.3‰/0.1‰；

测量量程：

CH₄ : 2 to 20ppm；

N₂O : 0.3 to 100ppm；

CO₂ ：300 – 1000ppm 或者 0.1 – 0.3μmole

H₂O ：4%

响应时间：10Hz（1-10Hz可调）

操作温度：10-35℃ 空气湿度：5%~95%

采样速率：0-20slpm

数据输出：RS232、USB和以太网

外形尺寸：530mm×660mm×710mm(W×D×H)

重量：72Kg

电源要求：500W、120/240VAC、50/60Hz(不包含吸气泵)

参考文献：

Design and performance of a dual-laser instrument for multiple isotopologues of carbon dioxide and water

J. Barry McManus,* David D. Nelson and Mark S. Zahniser