КЮВЕТА ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ

Область техники
Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к устройствам для анализа элементного состава вещества, в том числе в газообразном состоянии и может быть использована для выполнения анализа в труднодоступных областях, на энергообъектах, объектах радиационного контроля и т.д., например, внутри инертной камеры, обеспечивая таким образом анализ состава газовых смесей, что представляет ценность для ряда областей промышленности, таких как атомная энергетика и металлургия.
Уровень техники
Известны различные анализаторы состава конденсированных сред, использующие для анализа метод лазерно-индуцированного пробоя с последующей регистрацией атомной эмиссии образующейся при этом плазмы, идентификации линий атомной эмиссии и определению концентрации веществ, входящих в состав исследуемого образца по интенсивности зарегистрированных линий (патент RU №95844, US №5751416, US №5715053, US №6762835). В указанных решениях исследуемый образец должен находиться в непосредственной близости к анализатору, результаты измерения которого должны контролироваться человеком, что не является подходящим для инертных камер, не предполагающих в них присутствия человека, а также любых других труднодоступных зон измерения, где невозможно разместить все компоненты измерительной системы.
Из уровня техники известна регистрирующая кювета для фототермоакустического газоанализатора (RU №2460990, опубликовано 10.09.2012, кл. G01N 21/03). Кювета состоит из герметичной камеры, наполненной газом, поглощающим оптическое излучение. На противоположных торцах камеры расположены на одной оптической оси входное и выходное окна, которые наклонены к оптической оси под углом 45°. На боковой стороне камеры расположены акустически согласованные между собой излучатель и приемник ультразвуковых колебаний так, что вдоль оптической оси происходит совмещение оптического и акустического излучения. Кювета обеспечивает повышение чувствительности за счет увеличения длины оптического пути и области взаимодействия акустического и оптического лучей.
Данное решение требует размещения и настройки многочисленных оптических элементов и анализирующей аппаратуры в непосредственной близости от кюветы, что может быть нереализуемо в случае анализа газа в труднодоступной области. Помимо этого, повышение чувствительности в приведенном решении достигается за счет увеличения оптического пути, то есть габаритов устройства, что может быть непригодно для проведения анализа в малом замкнутом объеме.
Также из уровня техники известна кювета для анализа газов или жидкостей (DE 19729936 А1 опубликовано 14.01.1999, кл. G01N 21/03; G01N 21/05; G01N 21/11), принятая в качестве наиболее близкого аналога. Кювета содержит по меньшей мере два оптических окна, по меньшей мере два уплотнения. Принцип, на котором основан метод анализа, реализуемой в данной кювете, заключается в создании разряда в газе и последующем спектральном анализе линий излучения плазмы. Основным недостатком представленной кюветы является необходимость размещения измерительной аппаратуры вблизи нее, что затрудняет (или делает невозможным) анализ в труднодоступном объеме. Помимо этого спектроскопия газового разряда в ряде практически важных случаев уступает по чувствительности методу спектроскопии лазерно-индуцированной плазмы в связи с невозможностью использования анализа временного отклика сигнала, для чего нужно импульсное возбуждение, а также с неполной диссоциацией молекул в газовом разряде, в то время как в лазерно-индуцированной плазме диссоциация является полной и температура плазмы высока.
Раскрытие полезной модели
Задачей заявляемого технического решения является создание устройства для обеспечения удаленного бесконтактного определения химического состава газовой смеси в труднодоступных областях, например инертной камеры или горящей камеры на предприятиях энергетики.
Техническим результатом, достигаемым при использовании заявляемой полезной модели, является обеспечение уменьшения порогового значения плотности мощности излучения, необходимого для оптического пробоя лазерными импульсами наносекундной длительности за счет того, что пробой осуществляется не непосредственно в газе, а на поверхности металлической мишени, при этом во избежание деградации мишень имеет возможность перемещения. В результате становится возможным использование импульсов пониженной интенсивности для создания пробоя, а ввод лазерного излучения для создания оптического пробоя на металлической мишени возможно осуществить при помощи многомодового оптоволокна.
В такой конфигурации возможно расположить основные части прибора, в котором используется заявляемое устройство, такие как источник лазерного излучения, спектрометр и персональный компьютер, необходимый для обработки спектральных данных, вне атмосферы труднодоступной области, в которой размещают заявляемую кювету.
Поставленная задача решается тем, что заявляемая кювета для бесконтактного измерения элементного состава газовых смесей представляет собой камеру с размещенной внутри него металлической мишенью, предназначенной для создания на ней лазерно-индуцированной плазмы за счет эффекта оптического пробоя, и закрепленной к одной из сторон камеры с возможностью поступательно-вращательного перемещения внутри нее для обеспечения отсутствия деградации поверхности мишени, связанного с эффектом лазерной абляции, при этом камера снабжена входом и выходом для прокачки исследуемой газовой смеси и двумя разъемами с подключенными к ним оптическими волокнами, при этом в один из разъемов помещены элементы фокусировки лазерного излучения, используемого для создания оптического пробоя, а в другой - элементы для фокусировки излучения, создаваемого при оптическом пробое на металлической мишени. Мишень может представляет собой цилиндрический стержень, размещенный с возможностью вращения вокруг своей оси при поступательном перемещении, или пластину, размещенную под острым углом к плоскости распространения лазерного излучения (т.е. нормаль плоскости металлической пластины должна лежать в плоскости оптической системы и составлять угол порядка 45° с оптической осью (показанной на фиг. 1 пунктирной линией) фокусирующей системы, используемой для создания оптического пробоя). Металлический стержень может быть выполнен из вольфрама, или легированной стали, или титана и имеет диаметр не менее 10 мм, а камера выполнена металлической для обеспечения жесткого крепления всех составных элементов.
Основной принцип заявляемого устройства состоит в применении лазерно-индуцированного пробоя с последующей регистрацией атомной эмиссии компонент смеси. По измеренному отношению интенсивностей эмиссии и калибровочным данным, полученных для смесей с известным содержанием компонент, определяют концентрацию веществ. Лазерный пробой при этом создается на поверхности конденсированной среды - стержне и имеет низкий порог по плотности мощности лазерного излучения. Образовавшиеся на границе раздела фаз затравочные электроны приводят к развитию процесса ионизации газового образца в близлежащей области.
Краткое описание чертежей
Заявляемая полезная модель поясняется следующими фигурами, где
на фиг. 1 схематично изображена заявляемая кювета;
на фиг. 2 на котором изображена схема газового анализатора, в котором использовано заявляемое устройство;
на фиг. 3 приведены графики, характеризующие спектры линий различных атомов, полученные при накоплении газа после подачи в кювету атмосферы инертной камеры.
Позициями на чертежах обозначены:
1 - камера
2 - разъем для оптоволокна, по которому в кювету поступает лазерное излучение,
3 - устройство, предназначенное для фокусировки лазерного излучения на металлической мишени
4 - мишень для создания оптического пробоя,
5 - собирающая линза, предназначенная для светосбора излучения лазерно-индуцированной плазмы
6 - разъем для оптоволокна, по которому осуществляется сбор излучения лазерно-индуцированной плазмы,
7 - вход для подачи газовой смеси в кювету,
8 - выход для откачки газа из кюветы,
9 - лазерный источник излучения,
10 - фокусирующая линза,
11 - оптоволокно для заведения лазерного излучения в кювету,
12 - оптоволокно для сбора излучения лазерно-индуцированной плазмы,
13 - спектрометр,
14 - компьютер.
Осуществление полезной модели
Заявляемое устройство представляет собой металлическую камеру 1, например дюралевую, снабженную двумя разъемами - для крепления оптического волокна 2 и для подключения светособирающего оптического волокна 6, а также входом 7 и выходом 8 для подачи/откачки газовой смеси в/из кюветы. Взаимное расположение входа и выхода не является принципиальным. Разъемы 2 и 6 расположены так, чтобы оси оптических систем (помеченные на фиг. 1 пунктирными линиями), установленных в данных разъемах, сходились на поверхности оптической системы.
В разъеме 2 расположена фокусирующая оптическая система 3, состоящая, например, из двух короткофокусных линз, выполненных из стекла К8, расположенных так, чтобы лазерное излучение, выходящее из оптического волокна, закрепляемого в разъеме 2, фокусировалось на металлической мишени 4. Внутри кюветы расположена металлическая мишень 4, которая закреплена к одной из сторон камеры кюветы. В качестве мишени может быть использован металлический цилиндрический стержень, выполненный, например, из вольфрама, титана или легированной стали. Стержень закреплен с возможностью вращения вокруг своей оси (а именно, оси, перпендикулярной плоскости, образованной оптическими осями фокусирующих систем) и поступательного перемещения вдоль своей оси. Также мишень может быть выполнена в виде металлической пластины, расположенной под острым углом к направлению распространения лазерного излучения (нормаль плоскости металлической пластины должна лежать в плоскости оптических осей фокусирующей системы 3 и линзы 5 и должна составлять угол порядка 45° к оси оптической системы 3).
Линза 5, выполненная, например, из стекла марки КУ-1, помещается так, чтобы излучение лазерно-индуцированной плазмы фокусировалось на торце разъема 6. В разъеме 6 располагается многомодовое оптическое волокно, предназначенное для светосбора излучения лазерно-индуцированной плазмы.
Крепление оптических волокон к разъемам 2 и 6 может быть осуществлено посредством, например, разъемов типа SMA.
Заявляемое устройство работает следующим образом. Использование заявляемого устройства возможно в составе системы газового анализатора, обеспечивающего бесконтактное измерение элементного состава газовых смесей. Кювету размещают в труднодоступной области, например в инертной камере.
Подача газа может осуществляться как путем принудительной прокачки газа через разъемы 7 и 8, так и может осуществляться произвольное натекание газа из атмосферы инертной камеры через открытые разъемы 7 и 8. Отметим, однако, что в таком случае погрешность определения элементного состава инертной камеры ухудшается, по сравнению со случаем принудительной прокачки газа из атмосферы инертной камеры. Газ из исследуемого объема проникает в кювету через разъемы 7 и 8. Через фокусирующее устройство 3 импульсное лазерное излучение, заводящееся через оптоволокно, направляется на мишень 4 (мишень 4 может быть закреплена или осуществлять поступательно-вращательное движение для редукции деградации поверхности мишени в результате лазерной абляции) при этом в объеме камеры кюветы 1 в области фокуса линз 3 и 5 в результате оптического пробоя на поверхности мишени 4 и в газе возникает лазерно-индуцированная плазма, излучение которой переносится с помощью линзы 5 на разъем 6, к которому присоединен световод (оптоволокно 12) для светосбора. Оптический сигнал с оптического волокна 12, подсоединенного к разъему 6, затем передается на спектрометр 13, осуществляющий съемку спектра излучения лазерно-индуцированной плазмы. Спектрометр 13 подсоединен к компьютеру 14, с помощью которого спектральная картина анализируется с целью определения элементного состава.
Технический результат достигается за счет фокусировки лазерного излучения на поверхности металлической мишени, порог оптического пробоя которой на несколько порядков ниже порога оптического пробоя в газах. В результате становится возможным использование импульсов пониженной интенсивности для создания пробоя, а ввод лазерного излучения для создания оптического пробоя на металлической мишени возможно осуществить при помощи многомодового оптического волокна.
Пример конкретного выполнения
В приведенном ниже примере заявляемое устройство использовалось для контроля атмосферы в инертной камере с аргоновой атмосферой, а именно в данном примере измерялись концентрации кислорода и водорода.
3+
3
Излучение лазера 9 с активным элементом из АИГ:Nd (длина волны 1064 нм, энергия 80 мДж, частота повторения 10 Гц, длительность импульса по уровню 0.5-13 нс, расходимость по уровню 0.83-3 мрад) заводилось с помощью линзы 10 в кварцевое оптоволокно 11 диаметром 1 мм, другой конец которого через разъем типа SMA подсоединялся к разъему 2 устройства, корпус 1 которого был выполнен из алюминия и имел габариты 5×5×5 см, и фокусировался на вольфрамовую мишень системой из двух линз 3, просветленных под длину волны 1064 нм. Мишень 4 представляла из себя пластину размером 1×2 см и толщиной 3 мм, при этом мишень была закреплена внутри кюветы. При включении источника лазерного источника 9 на мишени 4 возникал оптический пробой, при этом образовывалась лазерно-индуцированная плазма, излучение которой собиралось при помощи кварцевой линзы 5 с фокусным расстоянием 3 см и выполненной из стекла КО-1 на кварцевое оптоволокно 12 диаметром 600 мкм, один из концов которого присоединялся к выходному оптическому разъему 6 устройства через разъем типа SMA. Второй конец оптоволокна подсоединялся через разъем SMA к спектрометру 13 Мауа2000 Pro (Ocean Optics, США), позволявшему регистрировать спектр излучения плазмы от каждого лазерного импульса. Полученные с помощью спектрометра 13 данные анализировались на компьютере 14.
В качестве газа использована аргоновая атмосфера инертной камеры. Аргон поступает внутрь кюветы через вход для подачи газа, регистрируется спектр излучения лазерно-индуцированной плазмы, возникающей при оптическом пробое на мишени (фиг. 2).
Частота повторения лазерных импульсов (и вспышек плазмы в кювете) составляла 10 Гц, каждый спектр измерялся в течение одной секунды, ежесекундно в течение всего эксперимента. Для оценки содержания примесей в атмосфере кюветы использовалось 10 спектров.
Для оценки концентраций из спектров выделялся диапазон, соответствующий линии атома, после чего вычислялось отношение максимума линии (не среднего значения, которое использовалось для оценок ранее) к максимуму линии аргона, после чего по калибровочным кривым, полученным ранее, из отношения максимумов вычислялась концентрация.
На фиг. 3 приведены выделенные спектры за вычетом аппроксимации фона, полученные для одного из 10 выбранных импульсов.
Содержание кислорода в инертной камере составило 4±2 ppm (ppm - миллионная доля в пересчете на основной газ, в данном случае - аргон), как среднее значения по 10 импульсам. Оценка погрешности соответствует разбросу отношения максимумов линий кислорода и аргона в спектрах излучения лазерно-индуцированной плазмы. Сравнение с данными независимых датчиков показало, что определенная концентрация кислорода совпала с точным значением (3.8±0.2 ppm) в пределах погрешности.