Марсианский многоканальный диодно-лазерный спектрометр "М-ДЛС"
M-DLS MARTIAN MULTICHANNEL DIODE-LASER SPECTROMETER

Изобретение относится к области измерительной техники и предназначено для прецизионного измерения химического и изотопного состава запыленной атмосферы и может быть использовано для измерения химического и изотопного состава окружающих атмосфер планет, включая атмосферы Марса и Земли в широком диапазоне термодинамических параметров.
Известны газоаналитические приборы, в основе которых лежит метод диодно-лазерной спектроскопии высокого разрешения. Так, в патенте РФ № RU 8674 G01N 27/12 2009 г. описана полезная модель устройства для определения молекулярно-сорбционных свойств вещества, включающая герметичную камеру для образца вещества, диодно-лазерный спектрометр с последовательно соединенными измерительной кюветой и блоком исполнительного управления и сбора данных, при этом измерительная кювета диодно-лазерного спектрометра соединена с блоком дозированной подачи пара и блоком управления вакуумной откачкой.
13
12
2
2
В патенте РФ № RU 123954 G01N 21/35 2012 г. описана лазерная оптическая система для измерения изотопного соотношения СО/CO, состоящая из лазера, и, установленных по ходу излучения, делителя, оптической кюветы, реперной кюветы, фотоприемников, и компьютерной системы, при этом оптическая кювета выполнена в виде многоходовой оптической кюветы Эррио со средством регулирования температурной стабилизации.
В патенте РФ RU 121927 2012 г. описан гетеродинный волоконно-оптический спектрорадиометр высокого разрешения для дистанционного пассивного анализа состава и состояния атмосферы. В патенте США US 9506804 2013 г. представлен газоанализатор на основе метода лазерной спектроскопии, действующий на открытой оптической трассе.
2
13
14
-1
В патенте Евросоюза ЕА 201391182 описано устройство для измерения концентраций СО, NO, NO, в газовой атмосфере при температуре выше 1200°С. Все эти устройства характеризуются следующими показателями: высокое спектральное разрешение (ширина линии излучения лазера порядка 10 МГц при рабочей частоте порядка 10-10 Гц), высокая чувствительность (порог детектирования менее 1 ppmv, в отдельных случаях, с учетом обогащения, менее 1 ppbv), относительно узкий спектральный диапазон, соответствующий перестройке диодных лазеров (порядка 1 см), который компенсируется многоканальностью. Вместе с тем, чувствительность указанных устройств ограничена длиной эффективного оптического пути в аналитической кювете, как правило, не превышающей нескольких десятков метров, что является серьезным недостатком при проведении изотопных измерений. Дальнейшее увеличение оптического пути многопроходных кювет типа Эррио приводит к неустойчивости оптического тракта и невозможности применения подобных устройств в составе автономных роботизированных комплексов в условиях запыленной атмосферы.
Наиболее близким техническим решением того же назначения к заявляемому изобретению является перестраиваемый лазерный спектрометр (Tunable Laser Spectrometer), разработанный для работы в составе комплекса научной аппаратуры SAM марсохода "Curiosity" и описанный в статье Webster & Mahhafy 2009 г. В данном приборе задача получения максимальной чувствительности решалась за счет применения многопроходной кюветы системы Эррио и обогащения газовой пробы путем адсорбции углекислого газа в специальных ячейках.
Недостатком известного технического решения является недостаточная длина эффективного оптического пути в аналитической кювете, что не позволило добиться требуемой чувствительности и привело к неоднозначной интерпретации результатов измерений.
Задачей заявляемого изобретения является увеличение длины эффективного оптического пути в аналитической газовой кювете для увеличения чувствительности.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройство, состоящее из аналитического объема на базе многопроходной аналитической газовой кюветы, комплекта монохроматичных диодных лазеров с распределенной обратной связью с периодической перестройкой оптической частоты зондирующего излучения в диапазоне, охватывающем индивидуальные колебательно-вращательные линии поглощения заданной молекулы и ее изотопологов в качестве аналитического объема, используется многопроходная аналитическая газовая кювета полного резонаторного выхода, представляющей собой полый цилиндрический объем, в торцах которого установлены зеркала с коэффициентом отражения не менее 0,999 и эффективная длина оптического пути в котором может достигать величины от 200 до 1000 м, причем оба зеркала является частично проницаемыми. Данная кювета используется также в качестве реперного канала для долговременной стабилизации частоты излучения лазеров по выбранным линиям поглощения.
Сущность изобретения поясняется на рисунках 1-3, где изображены внешний вид и функциональные схемы «Марсианского многоканального диодно-лазерного спектрометра (М-ДЛС)» для измерения химического и изотопного состава планетных атмосфер. Прибор М-ДЛС представляет собой диодно-лазерный абсорбционный спектрометр, работающий в нескольких спектральных каналах ИК области спектра диапазона 2-3 мкм. М-ДЛС обеспечивает выполнение научной задачи на основе спектроскопических измерений оптического молекулярного поглощения газовой пробы окружающей атмосферы. Конструктивно прибор представляет собой моноблок с выдвижной трубкой воздухозаборника для отбора атмосферной газовой пробы на уровне до 0,5 м выше места размещения прибора. Инструментальной базой прибора М-ДЛС является многоканальный модуль атмосферных измерений на основе оптического спектроскопического анализа состава пробы газа местной атмосферы, доставляемой в аналитическую многопроходную оптическую кювету прибора.
Работу модуля атмосферных измерений (МАИ) прибора М-ДЛС обеспечивают его функциональные узлы:
многопроходная оптическая аналитическая газовая кювета полного внутрирезонаторного выхода (МОК) с оптическими и газовыми интерфейсами, включающими монохроматичные диодные лазеры с распределенной обратной связью (РОС-лазеры), фотоприемник с предварительным усилителем его фотоотклика, газовые соединители, нагреватель, датчики давления и температуры;
система формирования атмосферных проб (СФАП), включающая воздухозаборное устройство, внутреннюю газовую транспортную систему, газовую магистраль (ГМ) и клапаны;
вычислительная управляющая система (ВУС), образованная микропроцессорной электронной платой интерфейсов и служебных систем и микропроцессорной платой модуля атмосферных измерений;
периферийная электроника, представленная исполнительными функциональными узлами, датчиками, внутренними интерфейсами М-ДЛС;
вторичный источник электропитания прибора М-ДЛС от бортовой сети в составе автономного роботизированного комплекса;
моноблочный корпус, конструктивно обеспечивающий внутреннюю компоновку прибора М-ДЛС, доступ к его внешним интерфейсным электрическим и газовым соединителям, размещение М-ДЛС на его посадочном месте в составе автономного роботизированного комплекса.
Периодическая перестройка оптической частоты зондирующего излучения, генерируемого полупроводниковым диодным РОС-лазером, в диапазоне, охватывающем индивидуальные колебательно-вращательные линии поглощения заданной молекулы и ее изотопологов, обеспечивает регистрацию спектра поглощения газовой пробы в виде зависимости во времени выходного сигнала, регистрируемого одноканальным фотоприемником прибора.
В составе М-ДЛС имеются спектроскопические измерительные каналы высокого разрешения ИК диапазонов:
2
2
каналы диапазона 2,65 мкм для записи спектральных контуров линий поглощения HO и изотопологов HO;
2
2
каналы диапазона 2,81 мкм для записи спектральных контуров линий поглощения CO и изотопологов CO.
Интервалы сканирования для отдельных измерений, обеспечиваемые параметрами токовой модуляции диодных РОС-лазеров, составляют величину около 30 ГГц с возможностью их температурной подстройки и охвата полного диапазона перестройки лазера около 300 ГГц. Максимальное спектральное разрешение при этих измерениях определяется шириной линии излучения РОС-лазера и составляет 1-3 МГц.
2
Долговременная стабилизация частоты излучения диодного лазера, обеспечивающая возможность накопления и усреднения большого количества спектров и тем самым существенного улучшения отношения сигнал/шум, осуществляется благодаря неизменному поддержанию определенного положения центров сильных линий поглощения CO в пределах рабочих интервалов спектрального сканирования посредством организации цифровой обратной связи с контроллерами режимов работы лазерных модулей.
Решение обратной задачи восстановления вариаций молекулярных концентраций и изотопных соотношений будет проводиться на основе переданных на Землю данных оптического поглощения атмосферных газовых проб.
Оценка чувствительности для некоторых каналов измерения представлена в таблице 1.
Расчетная точность определения изотопных соотношений составляет:
18
13
18
17
2
2
D/H<2%, O/O<2% (HO); С/С~0,3%, O/О/O<0,3% (CO).
Дополнительное улучшение чувствительности спектральных измерений в ~ 3 раза будет возможно при осуществлении компрессии отбираемой атмосферной пробы в объеме аналитической кюветы до давления ~ 30 мбар через газовый интерфейс объединенной системы подготовки газовых проб комплекса научной аппаратуры (КНА).
Специфическими характеристиками прибора М-ДЛС являются:
8
сверхвысокое спектральное разрешение λ/δλ=10, позволяющее детально разрешать форм-фактор регистрируемых линий молекулярного поглощения;
высокая чувствительность детектирования газов при малых концентрациях, достигаемая за счет оптического накопления заведомо слабого полезного сигнала в атмосферных измерительных каналах при большом числе эффективных полных проходов зондирующего луча через аналитический объем оптической кюветы прибора, что позволяет увеличить эффективный оптический путь до 1000 м при физических размерах прибора менее 0,3 м;
гибкость управления комплектом диодных РОС-лазеров - эффективное сочетание излучения нескольких рабочих длин волн, генерируемых лазерными излучателями, и различных каналов измерений. Один и тот же лазер может быть использован для измерений в двух или более спектральных каналах за счет подстройки рабочей температуры лазерного кристалла;
защита рабочего объема и прецизионных оптических элементов от пыли и прочих загрязнений на всех этапах хранения, старта, перелета, посадки и активных измерений;
эффективность использования аппаратных ресурсов при совместном использовании газового интерфейса и объединенной системы подготовки газовых проб научной аппаратуры автономного роботизированного комплекса.
Изобретение может быть использовано в исследованиях планет Солнечной системы в составе научной аппаратуры автоматических и пилотируемых космических аппаратов, в решении актуальных задач мониторинга природных и техногенных сред в составе беспилотных летательных и подводных аппаратов, в задачах экологического мониторинга, геологоразведки, идентификации взрывчатых и отравляющих веществ, контроля производственных процессов, медицинской диагностике и т.п.
Источники информации
1. Barnes, D., Battistelli, E., Bertrand, R., Butera, F., Chatila, R., Del Biancio, A., Draper, C., Ellery, A., Gelmi, R., Ingrand, F., Koeck, C., Lacroix, S., Lamon, P., Lee, C., Magnani, P., Patel, N., Pompei, C., Re, E., Richter, L., Rowe, M., Siegwart, R., Slade, R., Smith, M. F., Terrien, G., Wall, R., Ward, R., Waugh, L., and Woods, M. The ExoMars rover and Pasteur payload Phase A study: an approach to experimental astrobiology. Int. J. Astrobiol. 5(3), 221-241 (2006). doi: 10.1017/S1473550406003090 https://doi.org/10.1017/S1473550406003090Google Scholar
2. Mantz, A. W. A review of the applications of tunable diode-laser spectroscopy at high-sensitivity. Microchem. J. 50 (3), 351-364 (1994). doi:10.1006/mchj.1994.1099 https://doi.org/10.1006/mchj.1994.1099Google Scholar
3. Fukunishi, H., Okano, S., Taguchi, M., and Ohnuma, T. Laser heterodyne spectrometer using a liquid nitrogen cooled tunable diode laser for remote measurements of atmospheric O3 and N2O. Appl. Optics 29 (18) 2722-2728 (1990). doi:10.1364/AO.29.002722 https://doi.org/10.1364/AO.29.002722Google Scholar
4. O'Keefe, A. Integrated cavity output analysis of ultra-weak absorption. Chem. Phys. Lett. 293 (5-6), 331-336 (1998). doi:10.1016/S0009-2614(98)00785-4 https://doi.org/10.1016/S0009-2614(98)00785-4Google Scholar
5. Webster, C.R., Mahaffy, P.R., Atreya, S.K., Flesch, G.J., Mischna, M.A., Meslin, .-Y., Farley, K.A., Conrad, P.G., Christensen, L.E.., Pavlov, A.A., , J., Zorzano, M.-P., McConnochie, Т.Н., Owen, Т., Eigenbrode, J.L., Glavin, D.P., Steele, A., Malespin, C.A., Archer, P.D., Sutter, В., Coll, P., Freissinet, C., McKay, C.P., Moores, J.E., Schwenzer, S.P., Bridges, J.C., Navarro-Gonzalez, R., Gellert, R., Lemmon, M.T., and the MSL Science Team. Mars methane detection and variability at Gale crater. Science 347(6220), 415-417 (2015). doi: 10.1126/science.1261713 https://doi.org/10.1126/science.1261713Google Scholar
6. Navarro, Т., Madeleine, J.-B., Forget, F., Spiga, A., Millour, E., Montmessin, F., and , A. Global climate modeling of the Martian water cycle with improved microphysics and radiatively active water ice clouds. J. Geophys. Res. E119(7), 1479 - 1495(2014). https://doi.org/10.1002/2013JE004550Google Scholar