Устройство для обнаружения молекулярных примесей в атмосфере по колебательно-вращательным спектрам

Полезная модель относится к устройствам для измерения концентрации вредных молекулярных примесей в газообразной фазе, преимущественно в окружающей нас атмосфере, спектроскопическими методами. Высокая эффективность спектроскопических методов поиска и обнаружения газообразных веществ в различных условиях (как наземных, так и внеземных, в том числе, астрономических) хорошо известна. Повышение чувствительности таких методов было и останется важной научно-технической задачей. Насущная необходимость решения задачи определения содержания молекулярных примесей, например, парниковых газов, в атмосфере определяет множественность предложений по устройствам для ее решения. Общий принцип их работы основан на измерении доли поглощенного молекулами излучения, приходящего от некоторого источника.
Известно устройство [1], в котором для измерения поглощения использован инфракрасный излучающий диод. Спектральная полоса излучения светодиодов, как известно, имеет ширину, намного превосходящую ширину всей полосы поглощения исследуемого газа, а поскольку интегральное поглощение в полосе определяется отношением суммарной ширины линий поглощения к ширине полосы излучения источника, чувствительность подобной системы весьма невелика и может быть увеличена только путем увеличения длины трассы поглощения, например, путем применения многоходовой кюветы, резко снижающей механическую стабильность системы.
Известно также устройство [2], предназначенное для спектральных измерений путем последовательной перестройки специально разработанного лазера между компонентами колебательно-вращательного спектра метана и других молекул. Таким образом, реально в каждый конкретный момент времени измерения производятся по только одной спектральной линии. Необходимость наличия самого лазера, представляющего собой сложную прецизионную оптико-механическую систему, комбинации дополнительных эталонов и прокачки исследуемого газа через измерительную кювету лишают эту систему возможности реального применения в полевых (шахтных) условиях, ограничивая диапазон применения лабораторными.
Известно также устройство [3] для детектирования (определения наличия) газов, в котором источник света, содержащий источник с белым или широкополосным спектром и сканируемый гребенчатый фильтр создают спектр с регулярно расставленными длинами волн или линиями, которые соответствуют рассматриваемому расстоянию между линиями спектра поглощения или измеряемому газу и в котором многолинейчатое выходное излучение из источника света распространяется в исследуемой зоне газа. Техническим результатом данного устройства является возможность корректного учета особенностей структуры молекулярных спектров, а именно почти точной эквидистантности линий поглощения в колебательно-вращательном спектре, что реализуется применением интерферометра Фабри-Перо в качестве узкополосного фильтра. Принцип построения устройства близок к оптимальному, поэтому данное устройство принято нами за прототип. Общим у известного устройства и заявляемой полезной модели является то, что в них в качестве спектрального фильтра, пропускающего все или большинство линий излучения (поглощения) спектра молекулы, применен интерферометр Фабри-Перо.
Недостатком устройства прототипа является необходимость последовательного сканирования излучения по частотам линий поглощения, т.е. последовательного перебора нескольких десятков линий, что в реальных условиях измерений, при ограниченном времени, резко снижает чувствительность всей системы обнаружения и измерения концентрации молекул вследствие того, что большая часть времени сканирования расходуется на переход от одной частоты к другой, что является следствием формы спектрального контура пропускания интерферометра. Кроме того, применение системы сканирования высокочувствительного к вибрациям интерферометра неизбежно ведет к дополнительной механической нестабильности системы.
Техническим результатом заявленной полезной модели является возможность многократного (минимум в 10-20 раз) повышения чувствительности измерительной системы и ее механической стабильности. Реализация технического результата достигается рациональным использованием светового потока источника путем оптического суммирования интенсивности излучения всех или большинства спектральных линий и отказа от последовательной перестройки от одной линии поглощения к другой - технологии измерений, обоснованной в [4], а также введением системы одновременной модуляции всех линий пропускания по частоте, оптимизирующей шумовые характеристики приемно-регистрирующей системы.
Сущность заявляемой полезной модели иллюстрируется Фиг. 1 и Фиг. 2.
На Фиг. 1 показана общая схема устройства для обнаружения молекулярных примесей в атмосфере по колебательно-вращательным спектрам.
На Фиг. 2 показан спектр излучения, прошедшего через испытанный интерферометр Фабри-Перо и зарегистрированный фотоприемником.
Заявленная модель состоит из двух основных блоков А и Б: блок источника излучения А с многолинейчатым спектром и блок регистрации Б, совмещенный с системой управления, которые помещаются в общем корпусе, но могут быть разделены в пространстве. Блок А содержит излучатель 1 со сплошным спектром, коллиматор 2 (в реальности использовался зеркальный коллиматор), интерферометр Фабри-Перо, состоящий из двух зеркал 3, разделенных промежутком 4, заполненным прозрачным веществом, оптическая толщина которого выбирается из условия равенства интервала между частотами пропускания интерферометра расстоянию между линиями поглощения колебательно-вращательного спектра исследуемой молекулы, причем оптическая толщина может изменяться с помощью системы управления 11, среды распространения излучения 5 и блока регистрации Б, состоящего из объектива коллектора 6 (в реальном опыте - зеркального), диафрагмы 7, фотоприемника 8, системы обработки сигнала 9 и устройства индикации (регистрации) сигнала 10.
Работа заявляемой полезной модели осуществляется следующим образом: излучение источника 1 со сплошным спектром объективом коллиматора 2 превращается в параллельный пучок света, который освещает интерферометр Фабри-Перо, состоящий из двух параллельных друг другу зеркал 3 и промежутка между ними 4. Оптическая толщина этого промежутка nb, где n - показатель преломление вещества, заполняющего промежуток, а b - его геометрическая толщина, выбирается равной половине обратного расстояния между линиями спектра молекулы, выраженного в обратных сантиметрах, вышедший из интерферометра пучок света при этом состоит из набора узких линий, совпадающих с линиями поглощения молекулы, для которой проводятся измерения. Пройдя через атмосферу 5, содержащую исследуемые молекулы, излучение попадает в приемное устройство, где фокусируется объективом 6, проходит через малую круглую диафрагму 7, установленную в фокальной плоскости объектива 6 и выделяющую центральный интерференционный максимум, а затем регистрируется с помощью фотоприемника 8, его сигнал усиливается и обрабатывается в блоке 9 и направляется на индикатор 10 в том числе - на печать результатов. Работа всего устройства контролируется устройством управления 11, сигнал которого может использоваться для управления интерферометром Фабри-Перо с целью модуляции его по частоте путем изменения оптической толщины промежутка известными в спектроскопии методами, например, путем периодического изменения показателя преломления n вещества промежутка. В результате осуществляется периодическое изменение частоты настройки интерферометра и тем самым модуляция интенсивности прошедшего через атмосферу излучения, спектр которого точно совпадает со спектром поглощения молекулы, позволяя применить известные радиотехнические методы выделения переменного сигнала с заранее известной частотой. В заявленном устройстве для обнаружения молекулярных примесей в атмосфере по колебательно-вращательным спектрам излучение всех линий молекулярной полосы одновременно формирует на оси накладывающиеся друг на друга максимумы излучения благодаря указанному выше выбору оптической толщины промежутка между зеркалами. Происходит суммирование интенсивности всех полезных линий и многократное увеличение сигнала обнаружения.
Заявленная полезная модель была апробирована в лабораторных условиях Санкт-Петербургского государственного университета в режиме реального времени. В качестве интерферометра применялась пластина из германия, имеющего высокий показатель преломления в инфракрасной области спектра, что позволило использовать френелевское отражение излучения от поверхностей в качестве двух зеркал, а в качестве источника излучения со сплошным спектром - глобар, размеры излучающей поверхности которого были ограничены малой диафрагмой.
-1
В результате экспериментов было подтверждено достижение указанного технического результата, а именно обеспечение в инфракрасной области спектра одновременной селекции совокупности линий, находящихся на равных расстояниях по частоте в области частот 1000 см. Как показали результаты апробации, спектры воспроизводились с высокой точностью в течение полусуток при существенных изменениях в температуре помещения и без применения каких-либо специальных средств уменьшения вибрационных помех.
Пример, показывающий селекцию системы спектральных линий, приводится на Фиг. 2. Как видно из Фиг. 2, линии прошедшего излучения эквидистантны. Контраст наблюденной интерферограммы меньше, чем требуется в конечном реальном устройстве, но это обусловлено как отсутствием зеркальных покрытий, например, из золота, так и непараллельностью лучей, освещавших германий. Тем не менее, опыт показал одновременное наличие на оси большого числа эквидистантных по частоте линий излучения в выходящем пучке, что обеспечит повышение чувствительности системы обнаружения вредных и опасных молекулярных добавок в атмосфере пропорционально числу используемых линий. Аналогичные устройства могут применяться в любой области спектра от микроволновой до ультрафиолетовой области при соответствующем выборе характеристик оптических элементов
Техническо-экономическая эффективность изобретения состоит в повышении селективности и чувствительности устройства, позволяющего установить наличие только заданного типа молекул в сложной смеси молекул в атмосфере. Увеличение чувствительности происходит, благодаря суммированию интенсивностей, пропорционально числу одновременно используемых линий, что обеспечивает увеличение скорости детектирования вредных и опасных для здоровья примесей молекулярных газов в атмосфере. Увеличение механической стабильности определяется тем, что устройство для обнаружения молекулярных примесей в атмосфере содержит систему жестких оптических компонентов, требующих лишь однократной настройки. Устройство для обнаружения молекулярных примесей в атмосфере не имеет компонентов, требующих высоких напряжений питания и при соответствующей конструктивной доработке может применяться в условиях повышенной опасности, например в угольных шахтах.
Список использованной литературы
1. Патент RU 2451285 «Газоанализатор и оптический блок, используемый в нем».
2. Патент RU 2010141803 «Способ и устройство для анализа газов с использованием интерференционного лазера».
3. Патент US 4941747 A «Optical sensing arrangements».
4. 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.