基于激光的原位排气传感器
阅读说明：本技术 基于激光的原位排气传感器 (In-situ exhaust sensor based on laser ) 是由 R·苏尔 于 2020-01-11 设计创作，主要内容包括：一种激光吸收光谱排气传感器,包括：具有多孔壁[404]的光学池,该多孔壁[404]具有平均直径在0.1nm至1mm的范围内的平均直径的孔；光学池内的金镜[405],被定位以支持光学池内的多通光学路径[412]；主动加热元件,适于加热所述光学池以防止凝结；激光器,适于生成激光束；光学检测器[408],适于检测返回的激光束；以及处理器,用于控制激光器和主动加热元件并且用于分析来自光学检测器的信号以识别光学池中的气体。(A laser absorption spectroscopy outgassing sensor, comprising: an optical cell having porous walls [404], the porous walls [404] having pores with an average diameter in a range of 0.1nm to 1 mm; a gold mirror [405] within the optical cell positioned to support a multipass optical path [412] within the optical cell; an active heating element adapted to heat the optical cell to prevent condensation; a laser adapted to generate a laser beam; an optical detector [408] adapted to detect the returned laser beam; and a processor for controlling the laser and the active heating element and for analyzing signals from the optical detector to identify the gas in the optical cell.)
技术领域
本发明大体涉及用于检测气体的浓度的方法和设备。更具体地，涉及在存在微粒和水分的情况下(例如车辆尾气和发电厂)在升高的温度下使用激光吸收光谱原位检测低浓度成分的技术。
背景技术
基于激光的传感技术已广泛用于从环境监测到医疗保健的应用。在这些传感器中，光学池中充满了被分析的气体混合物，并且激光通过池的窗口进入池，并在通过池内的被分析气体行进一距离后通过不同或相同的窗口离开池。有时，为了增加传感器的灵敏度，通过使用一个或多个反射镜来增加穿过混合物的距离。这些高度探索的区域中的大多数都处于清洁环境中，不会存在激光束被颗粒或凝结阻挡的风险。然而，基于激光的技术的重要优势之一是能够在高温和恶劣环境中监测气体，例如测量燃烧产物浓度。然而，现有设备的问题之一是在这些设备的整个工作寿命期间保持光学池清洁的问题。在这些环境中的长期暴露后，颗粒和水分沉积在光学反射或透明表面上和/或腐蚀光学反射或透明表面，导致这些仪器发生故障。
发明内容
在一个方面，本发明提供了气体传感器，该气体传感器包括主动加热池，该主动加热池具有对于气体是多孔的壁但是同时防止大多数颗粒进入该池，由此保持该池清洁。多孔壁设计利用局部颗粒分布的知识。太小的孔大小不利地限制样本的扩散/流速。在此方面，孔大小被选择为平均孔大小，该平均孔大小被限制为等于流动中概率截断所期望的最小颗粒的大小。例如，在柴油汽车尾气的情况下，颗粒分布分为以下几大类：
·粗颗粒或PM10——空气动力学直径≤10μm的微粒
·细颗粒或PM2.5——直径≤2.5μm的颗粒
·超细颗粒，直径低于0.1μm或100nm
·纳米颗粒，由小于50nm的直径表征
随着样本冷却和来自燃烧的热颗粒成核，成核模式颗粒开始出现更多。如果将这些传感器小心地放置在样品仍然很热或没有足够时间成核(～450-800℃)的位置，这个过程则可能主要发生在这些传感器的位置之后。在这种情况下，我们只需要担心从被放置在上游的柴油颗粒过滤器逸出的较大颗粒。在这种特定情况下，孔设计将针对大于超细颗粒(>100nm)的颗粒进行设计，并且将利用100nm的特征孔大小。但是相反，如果预计样本中含有超细颗粒，但估计最小的纳米颗粒大部分被困在上游或太小而无法在传感器的使用寿命期间影响镜的反射率，则更细孔大小(～20nm)可以被认为是必要的。实现有效颗粒去除的一种方法是设计具有小袋的超薄壁的过滤器元件。这个想法在稍后讨论的概念验证原型中实现，并且称为过滤器的“鳃”。
主动加热的池保持在高于所有组件的饱和温度的温度，以防止凝结。汽车排气中可以维持的典型温度范围为300-600℃。该加热的装置还可以配备有部分反射或在反射表面具有任意数量的孔的镜。“孔”可以是或可以不是物理孔并且可以仅仅是在原本反射的表面中的透明区域。取决于池中的温度分布，透射或反射部分应包含在设计条件下的公差范围内透射或反射激光所需的所有适当材料。
因此，在一个方面，本发明提供了一种基于激光的原位排气传感器，包括：a)激光器，适于生成处于操作波长的激光束；b)主动加热池，包括适于产生通过池的光束路径的光学反射元件；c)激光束波导，适于将激光束从激光器递送到主动加热池中，其中激光器与主动加热池热隔离；d)激光束检测器，适于检测已经穿过主动加热池之后的激光束，以及e)信号处理器，适于基于吸收光谱识别池中的气体；其中主动加热多孔池与加热元件接触，该加热元件适于将主动加热池维持在高于排气流中的成分的饱和温度的温度以防止它们的凝结；其中主动加热多孔池具有壁，该壁具有孔，该孔的平均直径足够大以允许期望感测的颗粒通过孔并且足够小以阻挡不期望的污染颗粒穿过孔，由此减轻污染物对池内部的激光感测的不期望的影响。
在一些实施例中，由于在池的条件下在多个镜之间的多次反射，池具有多通(multi-pass)激光束图案形式。镜面的反射率被选择以反射激光束，其衰减低于以SNR>100在激光检测器处检测输出光束强度所需的衰减。在一些实施例中，二氧化硅和Al2O3的保护顶层可以施加在金或其他金属镜面上。
在一个方面，本发明提供了一种激光吸收光谱排气传感器，包括：具有多孔壁的光学池，该多孔壁具有在0.1nm至1mm的范围内的平均直径的孔；光学池内的金镜，被定位以支持光学池内的多通光学路径；主动加热元件，适于加热所述光学池以防止凝结；激光器，适于生成激光束；光学检测器，适于检测返回的激光束；以及处理器，通过柔性导管与光学池隔离，处理器用于控制激光器和主动加热元件并且用于分析来自光学检测器的信号以识别光学池中的气体。
激光吸收光谱排气传感器还包括光学波导，光学波导适于将激光束从激光器运送到光学池以及将返回激光束从光学池运送到检测器，并且适于将激光器与光学池热隔离。
优选地，多孔壁由多孔烧结金属粉末、金属丝网或陶瓷组成。优选地，多孔壁具有孔，孔的平均直径足够大以允许期望感测的气体穿过孔并且足够小以阻挡不期望的污染颗粒穿过孔。优选地，孔具有在10nm至10微米的范围内的平均直径。
激光吸收光谱排气传感器可以包括在金镜上的保护顶层。
主动加热元件可以集成到多孔壁内或者可以附接到多孔壁。优选地，主动加热元件适于将光学池加热到高于排气中的成分的饱和温度的温度以防止凝结。
优选地，光学池的壁具有无孔部分。
金镜由沉积在基底上的未受保护的金组成。金镜包括凹面镜。
金镜可以包括相对的球面镜，相对的球面镜的焦距不同。
多孔壁具有壁厚度不同的多个部分，多个部分适于增强进入光学池的气体流动。
多通光学路径具有大于50cm的长度以及小于5cm的物理长度。
多通光学路径在镜上远离入口孔和出口孔具有部分重叠的光斑图案，光斑图案在镜上具有椭圆形状。
传感器可以进一步包括紧固螺纹，紧固螺纹被定位在光学池周围并且适于将传感器固定到车辆排气管道。
附图说明
图1：基于激光的原位排气传感器架构的概览。
图2：传感器变体的热部分的剖面图。
图3：图2中示出的传感器变体的热部分的轴向图。
图4：图2中示出的传感器变体的热部分的3D剖面图。
图5：多孔套管变体的热部分的剖面图。
图6：多孔套管变体的热部分的分解图。
图7：多孔窗口变体的热部分的剖面图。
图8：多孔窗口变体的热部分的分解图。
图9：在检测器上捕获光束的简化的可调光学设计的剖面图。
图10：在检测器上捕获光束的简化的可调光学设计的侧视图。
图11：在检测器上捕获光束的简化的可调光学设计的3D视图。
图12：在光纤/束/波导上捕获光束的简化的可调光学设计的剖面图。
图13：在光纤/束/波导上捕获光束的简化的固定光学设计的剖面图。
图14：在检测器上捕获光束的简化的固定光学设计的剖面图。
图15：具有螺旋加热元件的多孔光学池。
图16：具有直加热元件的多孔光学池。
图17：将多孔窗口和池主体的单一元件构造结合而不使用端盖的混合多孔光学池设计构思。
图18：第一代排气传感器原型的剖面图。
图19A、图19B、图19C：在第一代原型中实现的多孔壁的视图。
图20A、图20B：入口镜和基板上的涂层的详细视图。
图21：示出锥形光斑图案的不等焦距多通池布置。
图22：针对超紧凑多通池配置获得的部分重叠光斑图案。
图23：示例非椭圆光束图案。
具体实施方式
这种传感器设计的第一探索的应用中的一个是汽车排气监测。图1描绘了这个用例。例如，图1中的管道101的部分代表任何运送气体的管道。但是，具体地，在车辆尾气的情况下，它可以代表排气管的一部分。箭头举例说明气体流过该部分的方向。高温多孔光学池(POC)102是具有多孔壁的本发明的中心元件。可以基于该环境中平均颗粒分布的知识来选择孔径。在颗粒大小相对于概率分布函数中的概率中，平均孔大小可以等于低于设计阈值的流动中最小粒子或者是低于设计阈值的流动中最小粒子的分数。汽车排气管道中的可接收的孔的典型尺寸为10纳米–10微米。更通常地，平均孔大小可以被选择为从分子筛(～0.1nm)直到简单金属丝网的大小～1mm的范围内的直径。
尽管在该图中示出为圆柱形元件，但该表面可以是任何任意形状，包括其他圆柱形和棱柱形。紧固部分103用于将光学池安装在管道101内。尽管103在这里示出为螺纹接合，但它可以是任何其他防漏气接合，包括法兰密封件(如第一个原型的情况)或螺纹。在图示示例中，氧/氮氧化物传感器安装的典型设计用于实现简单的售后更换。传感器104的头部被称为传感器的端盖，并存在于管道101的范围之外。这可用于使与排气管道的气体密封变紧，并且还提供空间以对高温光学器件(HTO)腔室105(因此命名是因为它容纳高温光学器件以发射激光并在激光已经离开包含样本气体的光学池102之后接收回来)热隔离。HTO腔室的温度与来自排气管道101的热传递密切相关。在我们的第一个原型中，HTO腔室中的最大测得的温度始终低于150℃。导管106(柔性或刚性)用于输送和保护光纤和导线，光纤和导线往返于传感器电子盒107传送光、电压、电流或数据，传感器电子盒107可以容纳需要或可以从组件的高温区域隔离的传感器的部分。电子盒107的几个重要的部件可以包括a)激光器、b)激光器控制硬件、c)光电二极管、d)模数转换器或数模转换器和/或e)具有通信单元的处理计算机。下面描述了几种最常用的激光器控制盒的操作模式。激光器温度控制器单元可以经由激光器壳体内部的热电冷却器(TEC)维持可调谐激光二极管或芯片或阵列的固定温度设置。可能需要附加的外部冷却(例如水或基于翅片的被动冷却)来维持目标激光器温度。激光电流控制器用于维持固定的激光电流或调制激光电流，是一种同时控制激光波长和强度的机制。电流调谐是在激光输出波长/频率和强度中生成必要模式的最典型的机制。然后在直接吸收、波长调制、频率调制或其他已建立的吸收光谱技术中使用该模式。这种方法也可以与宽带吸收技术一起使用，而不使用任何扫描模式。在POC中吸收后的输出激光束可以直接或通过使用波导在检测器上捕获。产生的检测器电压或电流信号然后由模数转换器数字化，并且然后在嵌入式计算机中进行解释。另一个版本可能使用完全模拟信号生成和模拟锁相滤波器来获得可以与常用吸收光谱技术一起使用的最终数据。考虑到周围环境相对无噪音以及部件的温度额定值，经过一些修改，光声光谱也可以与当前设置一起使用，同时对架构进行必要的修改(例如在POC中的麦克风和音叉的使用)。
图2(垂直于管道轴的剖面图)、图3(沿着轴的视图)和图4(3D剖面图)提供了“热部分”的总体设计架构的更详细的视图。这些图中的设计元素是该架构的变体中的一个。其他变体在后面的图中描述。光纤(201、301和410)从容纳在电子盒107中的激光器输送激光束。光纤材料优选地具有以下特性：a)它可以在物理地承受它所暴露的温度，b)它可以在最高设计温度分布下以可接受的(“可接受性”可以通过如下文中解释的设计中的各种修改来实现)的损耗量传输激光波长，以及c)它可以是单模、多模光纤或空芯波导。光纤传输的“可接受性”归结为输出激光束的最终可检测性。具有可以影响这一点的许多参数。例如：1.检测灵敏度：在近红外波长(～1.6μm)处，检测器灵敏度非常高，非常有损耗的光纤可以是可接受的，而在10μm处，检测器灵敏度会降低，即使是低损耗光纤也可能不可接受；2.反射次数和多道镜反射率：每次反射都会减小输出光束的强度。因此，设计可以选择较少的反射次数，以提高输出光束功率并且使光纤传输起作用，3.光纤长度：损耗/光纤长度可能很高，但可以缩短光纤长度以减少激光强度损耗量。可以承受高温(>2000℃)并且可以传输具有超过4μm的波长的激光的光纤材料的一个示例是蓝宝石。氟化物玻璃纤维可以传输更长的波长范围，但可以承受更小的温度范围。
通过使用光纤准直系统210和211并且通过激光透明窗口213将激光束发射到高温光学池218中，激光透明窗口213由可以承受设计温度和水分暴露的并且可以透射感兴趣的波长的材料制成。例如，氟化钙(CaF2)窗口可以以>60％的透射率透射0.18–9.2μm并且承受>1000℃，但它会在>300℃的温度开始与水分发生反应。因此，需要仔细设计以减小必须使用CaF2透镜和窗口的位置处的温度。考虑到在温度范围内的透射范围是令人满意的，可以选择诸如蓝宝石之类的材料来承受窗口213材料的更热和潮湿的环境。还可以通过在暴露表面上施加薄膜涂层来实现透射率和耐环境性的附加提高。如前所述，窗口219的背面可以是反射抛光金属或可以涂覆电介质层，并且具有伴随“孔”的期望曲率。类似的构造还可以包含作为背对背放置的两个独立部件的反射镜和窗口(在第一个原型中实现)。窗口表面可以相对于其他面成角度以减少由于窗口面的平行性而有时观察到的标准具效应或边缘效应。经由固定件和紧固件(图2中的202、204、205、212，图3中的311、312、313)调整和固定激光对准。进入池后，激光束在反射镜213和216之间反弹并最终通过反射镜213中的孔离开池。然后激光束被聚焦镜203/302收集到光电探测器206上。HTO腔室基座207/304通过热绝缘垫圈/层208或305与传感器端盖214/310热绝缘。选择垫圈/层208/305的厚度和材料以控制HTO腔室中的温度分布。HTO腔室-垫圈/层208/305的温度分布主要取决于通过垫圈的导热率、端盖处的温度、HTO腔室的其他可能散热模式以及环境温度。可以在HTO腔室105的内部和外部添加附加的被动/主动散热以增强HTO腔室的冷却。
排气沿着箭头方向流过管道部分(209/307/401)。除了POC 308周围之外，图3中的气流垂直于纸。POC 308“浸没”在排气的高温流中。使用紧固螺纹309/406将传感器固定在管道内。请注意，该螺纹可以是常用于排气NOx传感器的M20x1.5螺纹，作为当前使用的车辆排气传感器的简易替代。如小箭头402所示，经过滤的排气流通过多孔壁215或404涌入或扩散到池218中。如小箭头403所示，流扩散出池。这些箭头的方向仅用于说明目的并且不应与流的实际动态混淆。多孔壁215/404的构造通过包括在后面部分中描述的附加方法的各种方法是可能的。一种构造方法是用具有适当孔隙率的多孔烧结金属(例如，奥氏体镍铬基超耐热合金、钢等)粉末或金属丝网制造圆柱形池。另一种变体可以包含多孔陶瓷壁结构(例如二氧化硅、氧化铝等)。
如图3例示的，使用加热丝、元件或带306主动加热池壁的材料以避免凝结，并且在一些实施例中，通过使用嵌入式(多个)热电偶或其他温度监测设备也可以是温度控制的。是否通过主动温度控制将温度保持恒定取决于用例。主动温度控制可用于始终匹配管道中的外部样本温度。有时，排气管道中的温度远高于饱和。因此，它只需要维持在阈值之上。在这些情况下，不受控制的温度可以是有利的，因为它可以保留与温度有关的组分，诸如NOx。但在这种情况下，需要测量、表征温度变化并将其包含在信号解释模型中。在涉及第一个原型的测试之后，得出的结论是，在开始运行时，POC池的温度只需超过排气的饱和温度(通常小于60℃)。传感器被排气流的大量热迅速加热，无需保持一定的温度。传感器本身的操作不依赖于流的温度。与需要预热至600℃的传统电化学传感器相比，这也显著缩短了“点燃”时间。
通过传感器的示例激光束传播路径可以由黑色虚线412示出。激光束通过准直光学器件(此处显示为透镜；也可以使用反射镜)411从光纤发射到自由空间中。激光束然后通过窗口407和反射镜中的“孔”或通过部分透射的镜面进入POC。进入池后，它开始在输入/输出镜217和背反射镜面219或405之间来回反射。由这些表面之间的多次反射形成的图案决定了吸收的光路长度。示例激光多通图案是赫里奥特(Herriott)或怀特(White)多通架构，在激光传感的实践中广泛使用。任何其他替代图案也可以通过使用例如散光镜或球面镜来实现。光束可以从输入/输出镜217中的相同或不同的孔离开。可以通过各种方法收集将输出光束收集到光电二极管(303或408)上，这些方法可以包含或可以不包含透镜、反射镜、光纤、光纤束、波导或其组合，如下面或后续部分所述。这种多通布置用于在5cm的物理长度内获得大于50cm的光路长度。可以通过使用光电二极管408表面上的凹面镜或平面镜409来反射光束。光电二极管将入射光束转换成电流或电压，该电流或电压然后传输到放大器，并且然后传输到模数转换器。然后分析接收到的信号以获得关于混合物的浓度和/或温度的信息，这在激光吸收光谱中通常通过诸如直接吸收光谱或波长调制光谱(WMS)之类的方法来实践。
尽管为了使用激光束的光学波长进行说明而描述了上述实施例，但本发明的原理推广到光学范围之外的波长，从微波到X射线。通常，光束大小的上限可以限制为POC直径的最大物理尺寸。光束直径的示例在0.1微米到10厘米的范围内。窗口和镜材料以及光束发射方法(光纤/非光纤)可能需要根据使用的波长进行适当修改。通常，在任何波长下，使用的核心光谱技术都是吸收光谱。然而，准确的测量方案取决于调谐机制，如果调谐是可能的或甚至需要。例如，波长调制光谱可以仅用于电流可调谐激光器。直接吸收可以用于不可调谐和可调谐激光器、宽带和窄带激光器，但它确实有一系列缺点。
可以通过对先前讨论的设计的各种部分实施以下替代设计的组合来制造传感器：
A.用于多孔壁构造的替代设计
将POC 102构造为单个元件可能会影响其可制造性和质量保证。如图所示，POC连接到传感器端盖501/701。图5、图6、图7和图8中示出了一对替代方法。
1.多孔陶瓷/金属套管构造(图5和图6)：
在这种设计中，POC分为3个部分-a)刚性管状多孔或无孔部分602，b)多孔套管(金属或陶瓷)502/604，以及容纳背反射镜的底盖504/606，底盖504/606用环氧树脂、高温腻子层或任何其他高温粘合剂(503)固定到位。尽管这些部件在此处示出为通过螺纹(508/601、506/603和605)相互附接，但可以通过法兰甚至高温粘合剂或油灰紧固。一旦它们被组装(图5)，就可以使用高温环氧树脂或油灰或任何其他高温粘合剂的珠子，或者可以焊接金属套管以密封接合点(505)。还通过507示出了替代的加热模式，其中一股加热丝/带沿着602的壁在内部伸展。在此上下文中，术语“高温”可以意味着温热(～200C)、中等(类似排气的温度～500C)或像火一样(～1500C)，取决于情况。
2.多孔陶瓷/金属窗口构造(图7和图8)：
与套筒设计类似，POC分为3个部分-a)刚性管状多孔或无孔部分，具有多个“窗口”状开口802和用于组装的螺纹部分(706/804、708/801和805)，b)两个或多个多孔窗口(金属或陶瓷)702或803，它们可以经由其他防漏紧固方法粘合或固定到802(例如，它也可以焊接到POC主体的其余部分)，以及c)容纳通过粘合层703附接的背反射镜704的底盖705/806。此处所示的加热架构(707)与之前所示的相似，除了密度比之前高一点。这些多孔的形状可以通过3D打印或铸造然后通过烧结方法制造以实现所需的形状。
B.用于高温光学器件(HTO)腔室的替代设计
射入和射出POC的光束的发射和收集可以通过下面列出的一些其他方法来完成(图9、图10、图11、图12、图13和图14)：
1.简化的可调光学设计(图9、图10、图11和图12)：
图9、图10、图11和图12中示出了先前论述的设计的一对变体，该变体允许以降低的可调节性为代价允许更大的紧凑性。这两种变体之间的区别在于，通过反射镜(904/1208)中的孔离开光学池后的激光束可以a)直接在检测器901或1102上被捕获(图9、图10和图11)或b)通过首先在光纤、光纤束或任何其他波导1204上捕获它并且然后传输到光电二极管而传输到检测器，在这种情况下，光电二极管应容纳在电子盒107中。光纤1204可具有如1205所示的热绝缘套。选择捕获透镜(1207)的焦距和距离，以便将捕获的光束形状的大部分限制在收集光纤尖端1206处的数值孔径(NA)。该设计的常用元件包括a)用于激光光纤(907/1201)发射/准直部件(905、1101、1202和1203)的倾斜调整元件(906或1003)，b)HTO腔室基板903、1004和1105，c)聚焦输出光束捕获透镜(具有或不具有抗反射(AR)涂层)902，d)平面位移(安装XY平移)光束捕获光机械元件(1001/1103和1002/1104)，以及e)安装在管道部分1107上的传感器端盖1106。尽管没有示出绝缘垫圈/层208或305，可以使用或不使用具有或不具有绝缘垫圈/层208或305的这种设计。
2.简化的固定光学设计(图13和图14)：
所有先前的设计都更适合具有更大的设计灵活性的小规模制造工艺。一旦特定设计得到确认并准备好进行扩展，这些变体将消除所有可调节性，以提高制造的成本效益和吞吐量。图13中示出的版本包括a)接收光纤、束或其他波导1301、b)光纤保护套1302、c)光束捕获透镜1304、d)HTO腔室基板1303、e)基板和端盖1305之间的绝缘垫圈/层1307、f)光纤发射/准直光学器件1309和g)输入光纤1310。用于将光学器件(例如1308)容纳在HTO腔室基板中的凹槽安装有精密凹槽，该精密凹槽以在反射镜1306中具有给定的孔位置的POC中的激光束图案需要的公差范围内处于3D空间中的特定角度和位置。图14示出了一种变体，其中捕获的光在检测器1401上直接被捕获。然而，在这种方法中，需要解决关于通过主动或被动冷却策略从光电二极管散热的附加忧虑。如果可以提供足够的冷却，在替代变体中，激光器也可以类似于检测器直接安装在基板上。
C.多孔光学池(POC)的替代加热布置
为了防止在沿着管部分1504的流(1503)中接近其饱和蒸气压的成分的凝结，POC1501/1602的温度通过如前所述的加热而升高。除了所讨论的构造之外，可以利用螺旋状(图15)或直线状(图16)图案的加热元件1502或1601(例如，带、丝等)的构造。在一种制造模式中，加热元件可以在多孔壁制造过程(例如烧结或凝胶辅助的固相反应过程)期间保持在模具中。
并且最后，必须澄清的是，这些子设计元素中的任何一个都可以与其他元素组合以形成混合构思。例如，如图17所示，多孔窗设计元素1701与原始的单一元件设计1702组合而不使用底盖806。在这个混合构思中，背反射镜1703通过具有高温粘合材料(例如油灰或陶瓷粘合剂)的孔被粘合到POC的底部。
原位排气传感器的这种在柴油发动机的排气中得到了成功验证。本节使用图18说明了传感器的设计。这是在安装在排气管道1801中时的原型的剖面图。该原型使用法兰对(1802和1803)和螺旋缠绕垫片1807来实现HTO腔室1805和排气管1801之间的气体密封。多孔光学池(POC)1810和HTO腔室1805之间的密封是通过窗口插座1808和放置在其中的楔形圆柱形窗口之间的高温RTV或环氧树脂密封来实现的。POC池中的镜由1809(顶部)和1812(底部)表示。该设计的有效光路长度为1.37m。顶部反射镜1809环氧树脂连接到HTO法兰1802中的最低袋。底部反射镜1812环氧树脂连接到底部镜盖1813。通过使用不锈钢棒1811将底部镜盖固定在与HTO法兰的底面相距一距离处。高温线和热电偶通过外围槽1804馈送并且使用高温RTV密封剂密封。HTO法兰1802上的攻螺孔1806用于安装高温光学部件。
POC池的加热多孔壁是设计的关键元素，并且在图19A、图19B和图19C的帮助下分开讨论。这由三个部分组成-基于二氧化硅的3D打印陶瓷多孔壁1901和不锈钢端法兰1902和1903。通过未烧制(绿色)3D打印壁的烧结温度和时间来控制壁1901的孔隙率。3D打印结构最初由塑料和陶瓷粉末组成。在烧制(烧结)过程之后，该结构完全由陶瓷制成，并且因此能够承受远高于典型车辆排气温度(最高600℃)的温度。在安装过程中，端法兰(1902和1903)可以在陶瓷壁1906中的凹槽中滑入和滑出。壁1904上的袋被称为POC池的“鳃”，增强了周围气体进入池的流并导致在池中的超低停留时间。POC壁上的脊1905用于安装壁加热器镍铬合金或康泰尔(Kanthal)丝，如1907所示。这些加热元件用于在启动时将池预热至饱和温度(通常<60℃)以上。一旦排气开始流动，排气会将POC池迅速加热至>150℃的温度，从而没有产生凝结并且因此需要主动加热池的空间。
用于高温的镜涂层
用于多通道池的典型镜如在图20A、20B中的2001描绘。镜可以包含或可以不包含孔(例如2002)，根据设计所要求的所需路径长度。标记2003示出了镜的剖面图(剖面A-A)。标记2004示出了镜涂层中的层的放大图。阴影区域2005、2006和2007分别表示保护性顶层、反射层和粘合剂层。2008是指在其上施加镜涂层的抛光基底。通过实验观察到，金上常用的保护顶层(2005)在>400℃的高温对涂层稳定性具有不利影响。这种行为可能是由于层的不均匀膨胀导致应力增强导致反射涂层破裂。另一个候选保护顶层HfO2被发现在高温下会显著改变透明度。这些行为相当非直观，是我们研究的一项重大新发现。在我们的高温暴露测试中唯一幸存的反射镜涂层是未受保护的金。金涂层的完整性和厚度对于估计其在较高温度下的强度也很重要。此外，还观察到夹在金涂层和基底(在我们的测试例中为熔融石英)之间的粘合层，通常是Cr、Ti或Ni层。然而，将进行未来的研究，以找到一种可以在高温下存活的合适的保护顶层。此外，还可以实现不同的基底材料，诸如不锈钢(特别是SS 310，因为其热膨胀系数与金的紧密匹配)、镍合金或钛。
多通池设计
我们实现的多通光学池设计基于两个新构思：不等焦距球面镜和部分重叠的光斑布置。
a)不等焦距：通过图21说明相异焦距的构思。之前大多数提到的赫里奥特型多通池依赖于等焦距球面凹面镜或一凹一平镜。此处，我们将构思推广到彼此面对的不等焦距镜。在图中，入口镜由标记2101表示。该镜上加工有至少两个孔，如黑点2103所示。由2102表示的另一个镜称为返回镜。由于多次反射而在镜上形成的光斑由白色光斑2104示出。选择来代表这些光斑的标记尺寸越小，到达该光斑之前经历的反射次数就越大。该镜具有比2101更长的焦距，这导致其上的图案相对密集，如计算机生成的光线轨迹所示。由于我们的下一个构思，这只是有利的。
b)部分重叠的光斑布置：传统的多通池设计要求在镜上形成的整个图案与其相邻的图案不得有任何重叠，以防止出现光学边缘现象或标准具。然而，这是一个比实际要求更严格的要求。为了防止边缘现象，要求只有入口和出口光束与其相邻的光束没有重叠。我们将这一新构思引入到我们的多通池设计中，并在给定的光路长度下实现了彻底减小的体积。例如，对于图21，对光学设计的约束现在只需要入口镜2101没有重叠。我们当前的原型利用了这个构思，并且这就是图18和19A-C中所见的锥形池设计背后的原因。
通过利用如图22所示的椭圆光束图案，该想法被扩展以实现甚至更低的体积。在该示例中，入口镜2201具有两个孔2204作为入口和出口(可互换)。2201上的表面是球形的，但镜的轮廓可以做成矩形或任何其他形状，只要它不阻挡光束图案。请注意，在该实施例中，光束在返回镜2202上是完全重叠的。不仅如此，2203和2205所表示的区域中的光束反射光斑也是重叠的。这允许在小体积内显著增加光路长度，如激光路径所示的线的包络所示。此外，在车辆尾气应用中，将探针插入流中会增加反向压力并对操作产生不利影响，该设计允许当流冲击较窄的表面时的彻底低的横截面积的阻挡。请注意，此构思也可用于任何其他非椭圆形光束图案，例如图23中所示的光束图案。在此图中，镜由2301和2302表示，光斑图案由2303表示，光线轨迹由2304表示。