РЕЗОНАНСНЫЙ ОПТИКО-АКУСТИЧЕСКИЙ ДЕТЕКТОР И ОПТИКО-АКУСТИЧЕСКИЙ ЛАЗЕРНЫЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР

Полезная модель относится к резонансным оптико-акустическим детекторам (ОАД) дифференциального типа и может использоваться в различных отраслях промышленности как элемент лазерных оптико - акустических газоанализаторов, которые в свою очередь относятся к средствам определения состава газов и могут применяться для оперативного контроля отходящих газов промышленных производств, мониторинга атмосферного воздуха и других целей, так как позволяют одновременно детектировать большое количество веществ, содержащихся в исследуемом газе.
p
p
Известен резонансный оптико-акустический детектор дифференциального типа, включающий два независимых открытых акустических резонатора, выполненных в форме прямых трубок круглого сечения, расположенных параллельно друг другу и соединенных по торцам двумя буферными полостями, объем которых значительно превосходит объем трубок [A.Miklos and P.Hess, «Application of acoustic resonators in photoacoustic trace gas analysis and metrology» // Review Scientific Instruments, Vol.72, №4 (2001)]. При такой конструкции во время прохождения через одну из трубок детектора лазерного луча, модулированного обтюратором с частотой f, соответствующей резонансной акустической частоте детектора, при наличии поглощения лазерного излучения в газе в этой трубке возникают акустические колебания, обусловленные оптико-акустическим эффектом. По торцам трубки устанавливаются узлы звуковой волны, а в центре - пучность. Резонансная частота детектора равна f=v/2L, где v - скорость звука, L - длина трубок. Акустические
p
колебания регистрируются микрофоном, расположенным в центральной части этой трубки в месте пучности волны. Второй микрофон расположен в центральной части другой трубки, в которой за счет наличия буферных соединительных полостей большого объема акустическая волна на частоте f, вызванная поглощением лазерного излучения в первой трубке, не возникает. Сигналы, поступающие с обоих микрофонов, усиливаются дифференциальным усилителем.
p
-9
-1
Детектор допускает работу в потоке газа-носителя, позволяет получать информацию в реальном времени, достигать низкого уровня акустического и электрического шумов и высокой чувствительности. Ввод и вывод газового потока в области узлов акустических волн приводит к снижению уровня шума от потока газа. Для того, чтобы шум потока оставался на достаточно низком уровне, поток должен быть ламинарным. Газовый поток проходит через обе трубки, производя примерно одинаковый шум потока в обоих резонаторах. Симметричность детектора дает возможность уменьшить шум от потока газа и влияние внешних возмущений. Все шумовые компоненты, которые синфазны в двух трубках, эффективно подавляются дифференциальным усилителем, что позволяет повысить соотношение сигнал/шум. Поскольку чувствительность ОАД обратно пропорциональна резонансной частоте f, наибольшая чувствительность реализуется на более низких резонансных частотах. Фотоакустическая чувствительность такого детектора составляет около 1,0×10 Вт·см.
Описанный ОАД выбран в качестве прототипа предлагаемой полезной модели. Его недостатком является низкий уровень полезного сигнала, что обусловлено отсутствием влияния акустических волн в трубках друг на друга за счет большого объема буферных соединительных полостей по торцам трубок. Кроме того, из-за большого объема буферных полостей увеличивается время реагирования детектора на появление примесей в газовом потоке - снижается его быстродействие.
Полезная модель решает задачу повышения уровня полезного сигнала и быстродействия оптико-акустического детектора.
Поставленная задача решается тем, что предлагается проточный резонансный оптико - акустический детектор дифференциального типа, включающий два идентичных акустических резонатора, имеющих цилиндрическую форму и расположенных параллельно друг другу, торцы которых соединены попарно между собой посредством полых соединительных элементов таким образом, что образуется замкнутая кольцеобразная полость, которая снабжена входом и выходом для проточного газа, при этом по крайней мере часть каждого соединительного элемента выполнена проницаемой для лазерного излучения, а каждый акустический резонатор снабжен микрофоном, у которого акустические резонаторы выполнены в форме сквозных каналов в теле монолитной детали, а соединительные элементы - в форме соединительных каналов, у которых площадь внутреннего поперечного сечения равна D×H, где D - внутренний диаметр акустического резонатора, а Н - величина, выбираемая из условия: L/50<Н<L/10, где L- длина акустического резонатора.
Внутреннее поперечное сечение соединительного канала наиболее технологично выполнять в форме прямоугольника, одна сторона которого равна диаметру канала, а вторая сторона может иметь любой размер Н из вышеуказанного множества. Например, канал может быть выполнен в форме выемки глубиной Н в теле монолитной детали, которую покрывает пластина из материала, проницаемого для лазерного излучения. Вместо пластины, по крайней мере у одного из соединительных каналов может быть установлена выпукло- плоская линза.
Предлагаемый оптико-акустический детектор изображен на рис.1, где 1 - монолитная деталь, 2 - акустический резонатор, 3 - перегородка, 4 - микрофон, 5 -отверстия для входа и выхода газа, 6 - пластина, проницаемая для лазерного
излучения, 7 - уплотнение. Акустические резонаторы 2, выполненные в виде параллельных прямолинейных каналов 2 в теле монолитной детали 1, соединены между собой на концах соединительньми каналами, которые на рисунке имеют форму выемок в теле монолитной детали, и закрыты проницаемыми для лазерного излучения пластинами 6. Толщина перегородки между прямолинейньми каналами -акустическими резрнаторами составляет 1-3 мм. В центральной части (по длине) каналов 2 вплотную к стенкам установлены микрофоны 4. Резонансная частота предлагаемого ОАД также как у прототипа равна:
p
f=v/2L, где v - скорость звука, L - длина резонатора.
p
При работе детектора лазерный луч, модулированный по мощности, с глубиной модуляции 100%, с частотой, равной резонансной частоте акустического резонатора fp, проходит через одно из отверстий 2. При наличии поглощения газом лазерного излучения благодаря фото-акустическому эффекту в обоих акустических резонаторах детектора формируется стоячая акустическая волна таким образом, что на резонансной частоте f в местах расположения окон 6 находятся узлы стоячей волны, а в середине отверстий находятся ее пучности, соответствующие максимуму колебаний давления, причем в местах расположения микрофонов 4 колебания давления в разных резонаторах детектора находятся в противофазе. Электрические сигналы с микрофонов 4 поступают на дифференциальный усилитель, при этом полезный сигнал удваивается, а синфазный шум вычитается, что позволяет значительно увеличить соотношение сигнал-шум и уменьшить пороговую чувствительность детектора. Поглощение лазерного излучения в окнах оказывает малое влияние, так как они расположены в узлах стоячей акустической волны. Симметричная конструкция детектора способствует уменьшению шума от потока газа и от внешних воздействий.
Малый объем соединительных каналов повышает быстродействие ОАД по сравнению с прототипом.
В таблице 1 приведены размеры экспериментально исследованных проточных оптико-акустических детекторов: L, L/50, L/10, Н. Значение D во всех случаях было равным 5 мм. Приведенные данные показывают, что во всех случая выполняется неравенство: L/50<Н<L/10.
D - внутренний диаметр акустического резонатора, L - длина акустического резонатора.
Таблица 1.
N
L(мм)
L/50(мм)
L/10(мм)
Н(мм)
1
80
1,6
8
5
2
100
2
10
5
3
120
2,4
12
5
4
160
3,2
16
5
Если величина Н будет меньше указанной (нарушается левая часть неравенства), между каналами будет хорошая акустическая связь, однако существенно возрастет акустическое сопротивление и сигнал с микрофона во втором (пассивном) канале будет слабее, что приведет к уменьшению общего полезного сигнала и, сответственно, снижению чувствительности детектора.
Если величина Н будет больше указанной (нарушается правая часть неравенства), между каналами уменьшится акустическая связь несмотря на малое акустическое сопротивление. В результате в предельном случае заявляемый детектор становится полностью соответствующим прототипу, в котором связь между каналами полностью отсутствует и невозможно удвоение полезного сигнала за счет второго канала, что также приведет к уменьшению общего полезного сигнала и соответственно снижению чувствительности детектора.
Экспериментально величина Н выбрана равной 5 мм, как наиболее оптимальная для обеспечения максимальной эффективности работы детекторов, геометрические размеры которых приведены в таблице 1.
Заявляемый оптикоакустический детектор имеет более высокую чувствительность за счет сложения полезных сигналов от микрофонов, расположенных в каждом канале. Этот факт наблюдался экспериментально для всех детекторов перечисленных в таблице 1. Максимальное повышение полезного сигнала составляло порядка 2.
Более высокое быстродействие детектора относительно прототипа объясняется отсутствием большого буферного объема. Реально быстродействие детектора составляло доли секунды и определялось скоростью прохождения газа по подводящей трубке от места всасывания до каналов детектора.
Таким образом, основное преимущество предлагаемого детектора по сравнению с прототипом состоит в том, что в нем за счет наличия акустической связи между акустическими резонаторами колебания давления от прохождения модулированного лазерного луча по одному из них наблюдаются в каждом названном резонаторе. Эти колебания давления регистрируется каждым из двух микрофонов одновременно в противофазе, что позволяет в два раза повысить полезный сигнал и подавить синфазный шум от потока газа и внешних воздействий. В результате по меньшей мере в два раза возрастает отношение сигнал/шум и, соответственно, по меньшей мере в два раза повышается чувствительность оптико-акустического детектора. Кроме того, благодаря малому объему соединительных каналов между акустическими резонаторами повышается быстродействие предлагаемого детектора.
На основе описанного оптико-акустического детектора может быть выполнен оптико-акустический лазерный газоанализатор.
2
2
13
16
Известен, например, газоанализатор, включающий активный элемент СОлазера с разрядом постоянного тока (РПТ), дифракционную решетку, модулятор, оптико-акустический детектор, снабженный микрофоном, приемник излучения, селективный усилитель электрических сигналов, аналого-цифровой преобразователь и блок управления и индикации, выполненный на основе компьютера [B.C.Старовойтов, С.А.Трушин, В.В.Чураков «Оптико-акустический газоанализатор многокомпонентного загрязнения воздуха на основе CO - лазера» / Журнал прикладной спектроскопии, т.66, №3, стр.345-350 (1999)]. Для повышения чувствительности прибора оптико-акустический детектор размещен внутри резонатора лазера.
Этот газоанализатор принят за прототип предлагаемой полезной модели. Его недостатком является невысокий уровень чувствительности. Задачей, на решение которой направлено предлагаемая полезная модель, является повышение чувствительности газоанализатора.
2
Поставленная задача решается тем, что предлагается газоанализатор, включающий активный элемент лазера, дифракционную решетку, снабженную средством управления ее угловым положением, проточный оптико-акустический детектор, установленный таким образом, чтобы излучение активного элемента лазера проходило сквозь него, и поступало на дифракционную решетку, а также блок управления и индикации, связанный с оптико-акустическим детектором, средством управления угловым положением дифракционной решетки и активным элементом лазера, у которого активным элементом лазера является волноводный СО-лазер с ВЧ возбуждением, а проточный оптико-акустический детектор выполнен как описано выше.
2
Предлагаемый газоанализатор изображен на рис.2 и содержит: 1 - оптико-акустический детектор проточного типа, 4 - микрофон оптико-акустического детектора, 5 - вход и выход газа оптико-акустического детектора, 6 - пластина, проницаемая для лазерного излучения, 7 - уплотнение, 8 - активный элемент СО-лазера, 9 - волновод, 10 - выходное зеркало, 11 - фотодетектор, 12 -лазерный пучок, 13 - вакуумный насос, 14 - выпукло - плоская линза, 15 - дифракционная решетка оптико-акустического детектора, 16 - шаговый двигатель оптико - акустического детектора, 17 - блок управления и индикации, 18 - ВЧ генератор накачки.
Газоанализатор работает следующим образом.
p
p
p
p
Через оптико-акустический детектор 1 прокачивается анализируемый газ с помощью вакуумного насоса 13. На вход ВЧ генератора накачки 18 от блока управления и индикации 17 подаются управляющие импульсы на частоте f, равной резонансной частоте оптико-акустического детектора. Внутри волновода 9 активного элемента лазера 8 зажигается высокочастотный газовый разряд, модулированный по мощности с глубиной модуляции до 100% на частоте f, который является активной средой лазера. Внутри резонатора лазера возникает оптическое излучение с длиной волны, соответствующей угловому положению дифракционной решетки 15, модулированное по мощности на частоте f. Угол наклона дифракционной решетки 15 и ее угловое перемещение задается шаговым двигателем 16. Лазерный луч распространяется внутри резонатора между дифракционной решеткой 15 и выходным полупрозрачным зеркалом 10, проходя через пластины 6, линзу 14 и один из акустических резонаторов оптико-акустического детектора 1. При наличии поглощения лазерного излучения в протекающем через резонаторы оптико-акустического детектора газе, в каждом из двух оптических резонаторов возникают акустические колебания на частоте f в противофазе, которые регистрируются микрофонами 4. Электрические сигналы с микрофонов поступают в блок управления и индикации 17 для дальнейшей обработки. Часть излучения лазера выводится из резонатора через выходное полупрозрачное зеркало 10 и регистрируется фотодетектором 11, электрический сигнал с которого, пропорциональный мощности излучения лазера, поступает в блок управления и индикации 17 для дальнейшей обработки.
2
2
Использование в газоанализаторе волноводного СО излучателя с ВЧ-накачкой в качестве активного элемента позволяет уменьшить уровень шумов разряда по сравнению с РПТ, использованном в прототипе. Кроме того, в волноводном СOлазере с ВЧ-накачкой возможно производить модуляцию разряда с частотой до 10 кГц с глубиной модуляции до 100%, что невозможно при использовании РПТ.
Газоанализатор имеет автоматическую перестройку длины волны излучения в спектральном диапазоне 9,2-10,8 мкм, что позволяет использовать его в автоматическом режиме при дистанционном управлении.
Конструкция оптко-акустического детектора 1 позволяет соединить его с корпусом лазера 8 неподвижно, таким образом, что они вместе образуют жесткую конструкцию. Это дает высокую пассивную стабильность оптического резонатора лазера и позволяет уменьшить электрические и механические шумы. Также конструкция оптико-акустического детектора позволяет использовать в газоанализаторе минимальное количество внутрирезонаторных оптических элементов: только проницаемые для лазерного излучения пластину и линзу, что способствует уменьшению внутрирезонаторных потерь в лазере, повышению мощности излучения внутри резонатора и, в итоге, - повышению предельной чувствительности газоанализатора.