Программное обеспечение для спектрального анализа газовых компонентов в УФ области спектра

ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА ГАЗОВЫХ КОМПОНЕНТОВ В УФ ОБЛАСТИ СПЕКТРА

А.В. Белобородов

Имеются два спектральных диапазона, где большинство молекул обладают явно выраженным свойством поглощения электромагнитного излучения. Это ультрафиолетовый (УФ - между 190 и 400 нм) и инфракрасный (ИК) (информативный между 2,5 и 15 мкм) спектральный диапазоны. Относительно немного молекул поглощают электромагнитное излучение в видимом диапазоне.

Хотя большинство молекул поглощают в ИК спектральном диапазоне, некоторые, например Н^, имеют там слабые полосы поглощения. Кроме того, такие газы, как хлор и фтор, вообще не имеют полос поглощения в ИК области спектра. К настоящему времени созданы абсорбционные анализаторы различных типов, использующие УФ спектральный диапазон, для контроля содержания Cl2, SO2, NO2, NO3, HNO2, NO, O3, HCHO, ClO2, CS2, паров ртути, толуола, бензола, фенола, ксилола, этилбензола, нафталина, дихлорбензола и других веществ, всего около 100 компонент.

Техническое построение УФ систем измерения содержания газовых компонент, в принципе, аналогично построению ИК систем, правда, с учетом нескольких важных особенностей. По сравнению с ИК приборами, УФ анализаторы имеют как преимущества, так и недостатки. В качестве источника УФ излучения в них часто используется ксеноновая лампа. Этот источник излучает как в УФ, так и в видимой области спектра. Нить накала этих ламп может иметь величину 0,25 мм, что на порядок меньше размеров ИК источников излучения. Меньшие источники излучения приводят к более эффективной коллимации светового пучка и, как следствие, размеры светового пятна на выходе оптической системы с большой длиной оптической трассы остаются вполне приемлемыми, что исключительно важно при построении многоходовых кювет газоанализаторов и для конструирования систем с открытой атмосферной трассой для измерения содержания микроконцентраций загрязняющих атмосферу компонент [1]. По причине малых геометрических размеров УФ источника излучения, УФ системы контроля загрязнения атмосферы потенциально могут работать с оптическими трассами от 2-х до 10 км. Величина оптической трассы для ИК Фурье-спектрометра в настоящее время не превышает 1 км.

Другое различие между УФ и ИК анализаторами связано с тем, что в Фурье-спектрометрах, применяемых в настоящее время в качестве многокомпонентных анализаторов, не используется УФ спектральный диапазон, поскольку для механических узлов УФ Фурье-спектрометра требуется соблюдение настолько строгих допусков по стабильности их работы и по изготовлению поверхностей оптических деталей, что эти приборы становятся слишком дорогостоящими. Кроме того, УФ Фурье-спектрометр потребовал бы применения специального УФ лазера для контроля длин волн, который в настоящее время не разработан.

Однако, поскольку системы УФ и ИК измерений часто показывают сходные результаты, важно провести анализ их отличительных черт более пристально [2]. Каждая система может иметь преимущества в зависимости от её приложения. Фурье-спектрометры в каждый момент времени анализируют спектр ИК излучения в широком диапазоне и поэтому могут измерять одновременно общее содержание большого числа молекул, включая многие молекулы летучих углеводородов. УФ системы дистанционного контроля построены на основе дифракционных спектрометров и анализируют в отдельный момент времени только один конкретный спектральный участок. Для анализа, например, двух веществ, имеющих спектры УФ поглощения в разных спектральных интервалах, измерения должны быть произведены отдельно, и оптика прибора должна быть заменена или подстроена для проведения измерений.

ИК спектры большинства газов имеют более характерную вращательную структуру, чем УФ спектры газов с колебательной структурой электронной полосы поглощения [1, 2]. Выделение спектров газов с наличием большего количества деталей и, соответственно, определение содержания газов в присутствии многих мешающих компонент проще с использованием ИК спектрального диапазона. Кроме того, наличие нестабильности в уровне базовой линии прибора, работающего в ИК диапазоне, меньше сказывается на результат измерения по той же причине.

Применение УФ спектрального диапазона целесообразно для проведения работ по поверке газовых смесей, при построении контактных анализаторов О3 и БО2 и исключительно важно при построении систем дистанционного и трассового контроля загрязнения атмосферы.

В настоящее время в зарубежных странах накоплен достаточный опыт в создании газоаналитической техники с использованием УФ области спектра. В тех случаях, когда уже достаточно хорошо исследованы аналитические возможности определения некоторых компонентов, в регулирующих документах (например, в требованиях агентства по охране окружающей среды США, U.S. Environmental Protection Agency - U.S.EPA) регламентированы методы, применяемые для анализа многих компонентов в отдельности.

Работа над новыми средствами измерений должна вестись с известной осторожностью, так как может не дать положительных результатов по сравнению с методами, используемыми зарубежными фирмами. Особенно это касается методов, регламентируемых U.S.EPA, отступать от которых при создании новой аппаратуры опасно.

Используя неселективный источник излучения и формируя трассу, на которой предполагается наличие ряда исследуемых загрязняющих компонент, можно решить задачу определения содержания загрязняющего компонента несколькими методами.

Наиболее простой из методов состоит в создании дифференциального анализатора, содержащего два оптических фильтра, один из которых настроен на характерный максимум полосы исследуемого газа, а другой имеет центр вне полосы газа или в полосе газа, но с меньшим значением коэффициента поглощения. Тогда по изменению разности или отношения потоков в обоих каналах можно судить о содержании газа на трассе. Такой способ обладает наименьшей избирательностью к мешающим компонентам. Он, в основном, применяется при анализе газов, спектры которых не имеют выраженной структуры.

В последние два десятилетия достаточно широкое применение нашли так называемые корреляционные оптические методы, когда для достижения наибольшего разностного сигнала, пропорционального содержанию исследуемого газа, строится оптическая маска, которая повторяет структуру исследуемой колебательно-вращательной или электронной полосы газа и имеет достаточный перепад между прозрачными и непрозрачными для светового потока участками спектра.

Применение такого типа маски позволило резко повысить избирательность метода. Особую группу приборов, которые отличает сравнительная простота при достаточно высоком спектральном разрешении, составляют корреляционные приборы, основанные на «газовом фильтре» (ГФ) или на интерференционно-поляризационном фильтре (ИПФ). Такие фильтры либо полностью повторяют структуру полосы (или части полосы) поглощения исследуемого газа, либо повторяют ее в достаточной степени, если последняя имеет регулярную структуру. К первым относится ГФ, ко вторым - ИПФ. Особенностью ГФ является использование оптической кюветы, наполненной исследуемым газом с заданной концентрацией. Поочередно принимая сигнал от источника (прошедший рабочую трассу) - то через кювету с газом, то через «чистую» кювету - получаем разностный сигнал, пропорциональный содержанию газа на трассе между источником и прибором. Поскольку ГФ имеет колебательную структуру электронных полос в УФ и видимой областях спектра, совпадающую со структурой полос иследуемого газа, то

разностный сигнал коррелирует именно со спектром поглощения того же газа, но корреляция отсутствует или весьма мала для всех других газов, спектры поглощения которых тем или иным образом перекрываются со спектром поглощения исследуемого газа.

Применение ГФ для измерений содержания газов в УФ и видимой области наиболее целесообразно для молекул с хорошо выраженной колебательной структурой электронной полосы поглощения, т.е. когда коэффициенты в максимумах поглощения и соседнем минимуме поглощения различаются в несколько раз. Такой структурой обладают, например, спектры молекул сернистого газа и формальдегида [3]. Структура спектра молекулы диоксида азота проявляется на фоне непрерывного континуального поглощения, что приводит к падению величины дифференциального оптического контраста до значений, не сильно превышающих 1, а, следовательно, и к снижению чувствительности метода к измеряемому газу.

В [4] проанализированы основы корреляционных методов измерений, которые можно применить и для методов дифференциального поглощения.

На кафедре «Экологическое приборостроение и мониторинг» мною разработано программное обеспечение «База данных сечений поглощения газов в ультрафиолетовой области спектра» - UVDB. База данных разработана на языке высокого уровня DELPHI c применением запросов языка SQL [5]. Программа используется на кафедре СПбГУ ИТМО для подготовки и проведения лабораторных работ и практических занятий. Вид диалогового окна программы представлен на рисунке.

Рис. Программа иУйВ

Кроме того, программа используется, как средство качественного анализа УФ спектров газов, а также для качественной интерпретации результатов лабораторных и натурных измерений атмосферного пропускания в УФ - области спектра.

База данных включает информацию о 127 газах. Каждая компонента содержит

информацию об источниках данных для этого, конкретного газа [6].

Основой базы данных служил банк данных UVACS - Ultraviolet Absorption Cross

Section, представленный в работе [7].

Для удобства представления информации и как следствие выбора метода измерения программа обладает следующими возможностями:

• увеличение,

• передвижение спектра газа;

• возможность обозначения (простановки) значений пиков (изломов) спектра;

• выбор источника информации по каждому спектру;

• изображение нескольких спектров на одной картинке;

• печать спектров;

• печать базы данных спектра;

• сохранение спектра в виде картинки bmp формата.

Литература

1. Minnich T. R., Scotto R. L., Kagann R. H., Simpson O. A.. Optical remote sensors ready to tackle Superfund, RCRA emissions monitoring tasks // HAZMAT World Magazine, May 1990.

2. Grant W.B., Kagann R.H., McClenny W.A.. Optical Remote Measurement of Toxic Gases // Journal of the Air & Waste Management Association, January 1992, pp. 18-30.

3. Окабе Х.. Фотохимия малых молекул. Пер. с англ. Москва, Мир, 1981.

4. Чаянова Э.А., Шайков М.К.. Корреляционные маск-спектрометры для исследования малых газовых составляющих атмосферы. // Обнинск: ВНИИГМИ-МЦД-1984, Вып.2, 41 с. (Обзор-ВНИИГМИ-МЦД). Сер. Автоматизация сбора и обработки гидрометеорологической информации.

5. Архангельский А.Я.. Программирование в Delphi 5. М.; ЗАО «Издательство БИНОМ», 2000 г. 1072 с.

6. Борисова Н.Ф., Осипов В.М. Ослабление УФ-радиации на атмосферных трассах. // Оптика атмосферы и океана. 1998. №5.

7. Осипов В.М., Бабичева Н.А., Борисова Н.Ф. // II Межреспубликанский симпозиум «Оптика атмосферы и океана». Томск, 1995. Тезисы докл. Часть 1 С.70-71