Источник оптического излучения для измерения концентрации молекул метана в газовой фазе

Полезная модель относится к устройствам для обнаружения молекул в газовой фазе или измерения их концентрации по спектрам поглощения. Поиск минимальных количеств некоторых молекул в сложных смесях газов является актуальной задачей техники, медицины, экологии и техники безопасности. Малые концентрации некоторых молекул смертельны для человека (например цианиды), или могут вызывать крупномасштабные аварии (взрывы метана в шахтах). Как показывает опыт, именно метан является причиной многих техногенных катастроф. Необходимость не только измерять концентрацию молекул метана, но и иметь возможность обнаружить их наличие в минимальных концентрациях. Наиболее распространенным и надежным методом обнаружения является измерение поглощения света.
Устройства для определения содержания молекул метана в газах в большинстве случаев основаны на измерении поглощения инфракрасного излучения на одной или нескольких линиях молекулярной полосы в ближней инфракрасной (ИК) области спектра. Для этого используются источники излучения со сплошным спектром или специальные лазеры. Чтобы повысить чувствительность из сплошного спектра выделяют узкий участок, охватывающий полосу поглощения метана. С этой целью применяются разнообразные фильтры, например интерференционные [1], однако они дают возможность измерить поглощение лишь в совокупности узких линий полосы метана, разделенных широкими прозрачными интервалами. Отношение суммарной ширины линий полосы к выделенному фильтром участку спектра мало, что определяет результирующую низкую чувствительность метода по сравнению с возможным пределом. Отсутствует также селективность по отношению к поглощению молекулами иного вида в полосах, лежащих в той же области спектра.
Для повышения чувствительности устройств измерения концентрации метана применяются также специальные излучающие диоды [2] и лазеры, настроенные на одну или несколько из множества компонент колебательно-вращательной структуры спектра.
Ограниченность возможностей разработанных на этой основе устройств обусловлена тем, что игнорируются все остальные компоненты полосы, содержащей много десятков линий. Применяемая в некоторых системах линейка светодиодов, каждый из которых имеет очень широкую полосу излучения, по указанным выше причинам определяет низкую чувствительность системы измерений концентрации молекул метана по поглощению.
Известно портативное устройство [3], предназначенное для детектирования метана по поглощению света, содержащее в качестве источника излучения лазер, настроенный на одну из линий поглощения молекулярной полосы, и не использующее остальные линии, что понижает потенциально высокую чувствительность лазерных методов. Аналогичным недостатком обладает и устройство [4], в котором применяется перестраиваемый полупроводниковый лазер. Кроме того, подобные системы обладают систематическими ошибками, обусловленными температурным дрейфом частоты излучения соответствующих ИК лазеров, что требует регулярной калибровки устройств.
Известно также устройство [5], в котором для измерения концентрации нескольких типов молекул применяется комбинация системы независимых источников света с фиксированными частотами излучения. Внешняя универсальность метода и устройства не отвечает требованиям, предъявляемым к реальным, не лабораторным, устройствам в силу своей громоздкости и невозможности устойчивого согласования спектра источников с молекулярной структурой газообразных простых молекул, к которым относится метан.
Известно устройство [6], предназначенное для формирования направленного оптического излучения с заданными спектральными, энергетическими, пространственными, поляризационными и временными характеристиками, поэтому оно принято нами за прототип изобретения.
Техническим результатом устройства [6] является возможность одновременного измерения поглощения на нескольких линиях спектра метана, что должно приводить к повышению надежности его обнаружения и/или увеличению точности определения его концентрации. В данном устройстве применена линейка светоизлучающих элементов, свойства которых не оговорены, оптические элементы для управления геометрическими характеристиками пучка, дифракционный элемент и средства позиционирования. Указанные средства позиционирования каждого из излучателей имеют реально пять степеней свободы. Недостаток данного источника полихромного излучения является продолжением его универсальности: количество степеней свободы его узлов, необходимое для применения в спектроскопическом определении концентрации молекул, является невообразимо большим. Соответственно, как настройка, так и устойчивая эксплуатация такого устройства даже в лабораторных условиях маловероятна. Предложенный авторами способ пространственного прецизионного согласования пучков от множества излучающих и оптических компонентов относительно одного общего дифракционного элемента, обеспечивающего сложение пучков, приводит к потерям мощности излучения, обусловленным уменьшением телесного угла, в котором должно распространяться излучение каждого из первичных источников.
Техническим результатом заявленной полезной модели источника оптического излучения для измерения концентрации молекул метана в газовой фазе является увеличение чувствительности обнаружения метана в атмосфере, а также повышение точности измерения концентрации за счет реализации высокой спектральной селективности и использования для измерений абсолютного большинства линий молекулярного спектра. Реализация технического результата осуществляется путем согласованной фильтрации излучения источника сплошного спектра.
Указанный технический результат достигается тем, что в модели широкополосное излучение теплового источника направляется на одну дифракционную решетку, работающую в очень высоких порядках дифракции, при этом использован известный эффект переложения высоких порядков решетки, а в освещающем решетку параллельном пучке размещен плоскопараллельный пропускающий фильтр, оптическая плотность которого возрастает от центра к краям пучка, и дополнительные оптические элементы, которые обеспечивают одновременное согласование формы и частоты контуров всех линий излучения источника с параметрами линий поглощения [7]. В полезной модели реализуется высокая механическая устойчивость всей системы измерений за счет минимизации числа подвижных деталей.
Полезная модель Источник оптического излучения для измерения концентрации молекул метана в газовой фазе решает задачу создания простого по конструкции стабильного устройства, не требующего высоких напряжений питания, и удобного в использовании для промышленной и полевой эксплуатации.
Сущность заявляемой полезной модели иллюстрируется фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3.
На фиг. 1 показана оптическая схема предлагаемого устройства.
На фиг. 2 показан рассчитанный спектр излучения от источника сплошного спектра на выходе заявленного устройства.
На фиг. 3 показан измеренный с помощью быстродействующего осциллографа спектр излучения на выходе источника оптического излучения для измерения концентрации молекул метана в газовой фазе, в котором установлен источник сплошного спектра.
Заявленная полезная модель содержит корпус 1 с оптическим окном 2 для выхода излучения, внутри которого размещены источник питания, блок управления, оптические элементы, источник излучения 3 со сплошным спектром, полупрозрачное зеркало 4 или иной эквивалентный ему светоделитель, коллимирующий объектив 5, дифракционную решетку эшелле 6, перестраиваемую или фиксированную щель 7, установленную в фокусе выходного объектива, выходной объектив 8 и плоскопараллельный фильтр 9 переменной оптической плотности, помещенный между объективом коллиматора и решеткой в параллельном пучке, перекрывающий сечение пучка и изменяющий интенсивность излучения по сечению в направлении, перпендикулярном штрихам решетки. Пропускание фильтра уменьшается от центра к краю по заранее заданному закону, например линейному [8].
k
Работа заявляемой полезной модели осуществляется следующим образом. Излучение источника со сплошным спектром с помощью поворотного полупрозрачного зеркала или конструктивно иного аналогичного по действию устройства направляется на коллимирующий объектив. Образованный параллельный пучок освещает дифракционную решетку эшелле с пространственным периодом b, установленную под углом α к падающему пучку и работающую в высоких порядках дифракции. Сформированные световые пучки, отраженные от компонентов решетки элементарными зеркалами-штрихами, из которых состоит решетка эшелле, имеют разности хода несколько сот длин волн фильтруемого излучения. Они направляются через фильтр назад на полупрозрачное зеркало через тот же коллимирующий объектив, проходят через узкую щель, установленную в его фокусе, которая отфильтровывает только пучки, идущие под определенным углом от решетки. Все остальные пучки отрезаются, и на выходе объективом-коллиматором формируется слабо расходящийся пучок излучения, спектр которого состоит из отдельных линий с частотами σ, отвечающими условию:
k
2bσsin α = k,
где k - натуральное число, не равное нулю.
Излучение, прошедшее через щель, выходным объективом 8, таким образом, превращается в полихроматический параллельный пучок, состоящий из линий по частоте, совпадающих с частотами линий поглощения метана, что достигается соответствующим поворотом решетки, и может быть направлено с помощью известных вспомогательных оптических устройств в нужную сторону. Спектр излучения при этом оказывается согласованным со спектром поглощения молекулы, что позволяет измерить концентрацию молекул метана в атмосфере или в специальных кюветах.
Для того, чтобы регулировать интенсивности элементарных пучков, падающих на решетку и отраженных от нее, в параллельном пучке, освещающем решетку, между коллимирующим объективом 5 и решеткой 6 устанавливается дополнительный фильтр 9 в виде плоскопараллельной пластины с переменной по координате оптической плотностью. Плотность фильтра возрастает в направлении, перпендикулярном штрихам решетки от нуля в центре до двух и более на краях по линейному или иному рассчитанному заранее закону. Уменьшение амплитуды отраженных от разных областей решетки эшелле элементарных пучков позволяет осуществить аподизацию контуров линий и повысить контраст их интенсивности в максимумах по отношению к спектральным промежуткам между линиями. В результате повышается также эффективность подавления помех от возможно присутствующих в смесях газов молекул иного рода. Размещение относительно большого фильтра переменной оптической плотности позволяет использовать в устройстве не только малую входную диафрагму или щель, но и растры для увеличения светового потока [9].
Заявленная полезная модель была апробирована в лаборатории молекулярной спектроскопии Санкт-Петербургского государственного университета в режиме реального времени. В результате расчета и экспериментов было подтверждено достижение указанного технического результата: обеспечение на выходе спектра излучения, состоящего из набора эквидистантных в шкале частот линий. Рассчитанная форма контуров линий излучения при использовании фильтра с линейным падением пропускания от центра к краям пучка по амплитуде световой волны (фиг. 2) показывает, что уже при всего 14 штрихах решетки эшелле в середине промежутка между линиями величина интенсивности составляет только 0,7% от максимального значения, в то время как без фильтра она будет не менее 12-15%.
Фиг. 3 показывает, что результаты экспериментальной апробации подтверждают возможность эффективного преобразования исходного сплошного спектра источника в новый, согласованный по частотам с набором линий колебательно-вращательного спектра метана.
Техническо-экономическая эффективность изобретения состоит в понижении порога обнаружения метана и увеличении отношения сигнал/шум при измерении концентрации молекул метана по колебательно-вращательному спектру поглощения. Анализ, осуществленный в [7], показывает, что соответствующее повышение может достигать в конкретном случае использования щелевого варианта нескольких десятков раз. Как показывает фиг. 1, устройство содержит только стандартные оптические элементы и фильтр переменной оптической плотности, просто в изготовлении и настройке, а требования по его стабильности соответствуют общепринятым в оптике требованиям и выполняются элементарно.
Путем введения дополнительных элементов устройство может формировать излучение, в котором частоты испускаемых линий одновременно периодически меняются во времени на всех линиях излучения одновременно, что позволяет путем использования узкополосных регистрирующих радиотехнических устройств дополнительно повысить чувствительность измерений и понизить чувствительность по отношению к мешающим спектрам иных молекул. Отметим, что поворот решетки на определенный угол, согласно приведенной выше формуле, позволяет применить подобный источник для диагностики иных молекул, помимо метана. В представленной на фиг. 1 форме единственным потребителем электроэнергии в устройстве является источник излучения со сплошным спектром, что позволяет использовать его в условиях повышенной взрыво- и пожароопасности, например в угольных шахтах.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ:
1. http://www.elstandart.spb.ru/Core/300/300_2_filters.htm.
2. Патент CN 203628508 «Polychromatic light emitter diode ray bright colored lantern signs a legal statement the construction».
3. Патент JP 2013128185 «Camera system and camera mount».
4. Патент US 2007259440 «Measuring low levels of methane in carbon dioxide».
5. Патент CA 2487115 «Light sensor with modulated radiation polychromatic source ».
6. Патент RU 2287736 «Универсальный источник полихромного оптического излучения».
7. Пермякова Е.С., Толмачев Ю.А. Применение методов оптимального приема сигналов и импульсного метода анализа работы оптических систем для развития нового метода спектрального анализа // Химическая физика, 2015, Т. 34, №8, с. 78-82.
8. Jaquinot P., Roizen-Dossier D. Apodisation// Progress in Optics, 1964, Vol. 3. P. 31-187.
9. Жирар А. Спектрометр с селективной модуляцией «Инфракрасная спектроскопия высокого разрешения». В сб. статей под ред. Г.Н. Жижина. Из-во Мир М. 1972, 352 с. С. 306-351.