СВЕТОСИЛЬНЫЙ КР-ГАЗОАНАЛИЗАТОР
HIGH-APERTURE RC-GAS ANALYSER

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для проведения качественного и количественного анализа газовых сред.
Среди разнообразных методов газоанализа особое место занимает метод, основанный на спектроскопии комбинационного рассеяния (КР) света. Спектры КР объясняются рассеянием возбуждающего лазерного излучения молекулами, на частотах соответствующих их внутреннему строению. Таким образом, суть данного аналитического метода заключается в регистрации спектров КР и проведении по ним качественного и количественного анализа газовых сред. В первую очередь, данный подход отличает отсутствие расходных материалов и сложной пробоподготовки, высокое быстродействие, а также возможность одновременного контроля всех молекулярных соединений анализируемой газовой среды, содержание которых превышает порог чувствительности аппаратуры. Благодаря этим преимуществам данный тип газоанализаторов является одним из наиболее перспективных на сегодняшний день.
Необходимо отметить, что достоверность газоанализа с помощью спектроскопии КР, а также значения пороговых пределов обнаружения газовых компонентов напрямую зависит от качества и интенсивности регистрируемых аппаратурой спектров КР.
Известен лазерный анализатор, основанный на методе спектроскопии комбинационного рассеяния света [свидетельство на полезную модель №10462, 1999 г., G01N 21/25]. Несмотря на то что данное устройство предназначено для газоанализа природного газа, оно способно осуществлять диагностику и других газовых сред. Данный анализатор содержит лазер, фокусирующую линзу, газовую кювету, конденсорный объектив, деполяризующий клин, голографический фильтр, полихроматор, содержащий вогнутую дифракционную решетку, приемный блок, содержащий распределительный элемент и фотодиодные линейки, а также блок управления и ЭВМ. Суть его работы заключается в регистрации спектра комбинационного рассеяния света исследуемой газовой среды и проведении по нему качественного и количественного анализа. Основным недостатком данного устройства является низкая достоверность анализа, обусловленная низкой интенсивностью регистрируемых спектров КР. Данное обстоятельство, в свою очередь, обуславливается использованием объектива для сбора рассеянного света с малой светосилой (1:6) и спецификой полихроматора, основанного на вогнутой дифракционной решетке и, соответственно, обладающего также малой светосилой.
Наиболее близким по принципу действия (прототипом) является анализатор состава природного газа [Патент РФ №126136, 2013 г., G01N 21/00]. Данный анализатор также основан на спектроскопии комбинационного рассеяния света и имеет потенциал анализа любых молекулярных соединений. Данный анализатор частично лишен недостатка устройства, описанного выше, в части использования полихроматора с малой светосилой. Указанное устройство имеет в своем составе лазер, фокусирующую линзу, газовую кювету, голографический фильтр, блок управления, сопряженный с ПК, а также светосильный спектральный прибор с плоской дифракционной решеткой, сопряженный с ПЗС-матрицей. Основное отличие прототипа от аналога - использование спектрального прибора с плоской дифракционной решеткой. Данное обстоятельство позволяет использовать более светосильную оптику для сбора рассеянного света. Однако данный анализатор хоть и имеет в своем составе более светосильный объектив, по сравнению с описанным выше устройством (1:1.8 против 1:6), но это также не обеспечивает оптимального угла сбора рассеянного излучения (максимально достижимого). Данное обстоятельство отражается на относительно низкой интенсивности регистрируемых спектров КР. Помимо этого в кювете данного анализатора лазерное излучение отражается от стенки, расположенной напротив входного окна, и рассеивается внутри, создавая паразитную засветку (фоновое излучение). Данное обстоятельство, в свою очередь, существенным образом затрудняет регистрацию малых компонент по причине трудности их выделения на интенсивном фоновом излучении.
Таким образом, основным недостатком данного анализатора газа является низкая достоверность анализа, обусловленная рассеянием возбуждающего излучения на стенках кюветы, а также низкой интенсивностью регистрируемых спектров КР, вызванной малым углом сбора полезного рассеянного излучения.
Задачами, на решение которых направлено изобретение, являются уменьшение фонового излучения, а также повышение интенсивности регистрируемых спектров КР за счет увеличения угла сбора рассеянного излучения.
Технический результат - повышение пороговой чувствительности устройства и достоверности проводимого газоанализа.
1
2
1
2
Указанный результат достигается тем, что в системе, содержащей непрерывный лазер, фокусирующую линзу, газовую кювету с входным окном для ввода лазерного излучения и окном для вывода рассеянного излучения под углом 90°, голографический фильтр, обеспечивающий ослабление рассеянного излучения на длине волны лазера, спектральный прибор, сопряженный с ПЗС-матрицей, блок управления и ПК, внутри газовой кюветы, на противоположной стенке от входного окна, установлена ловушка лазерного излучения, а для сбора рассеянного света и его направления на вход спектрального прибора используется сферическое зеркало. Данное зеркало обращено к входу спектрального прибора и установлено внутри кюветы на главной оптической оси, проходящей через входную щель спектрального прибора и область фокусировки лазерного луча, таким образом, чтобы лазерная перетяжка была между зеркалом и спектральным прибором, причем оно расположено на расстоянии OB=[D/(D′/F′)]+H+H от входной щели спектрального прибора, а от области перетяжки лазерного луча на расстоянии OA=F*OB/(OB-F), где D и F - диаметр и фокусное расстояние зеркала, D′/F′ - входное относительное отверстие спектрального прибора, a H и Н - толщины выходного окна кюветы и голографического фильтра вдоль оптической оси.
Установленная на пути лазерного луча внутри кюветы ловушка будет поглощать возбуждающее лазерное излучение, переводя его в тепло и при этом, не давая ему отражаться или рассеиваться на других стенках. Данное обстоятельство значительно снизит уровень фонового излучения внутри кюветы и, следовательно, фон в регистрируемых спектрах КР. Благодаря этому будет решена первая задача.
0
Также известно, что интенсивность сигналов КР (I) линейно зависит от таких параметров, как (см. соотношение 1) мощность возбуждающего излучения (I), угол сбора рассеянного излучения (Ω), концентрация молекул данного сорта (N) и сечения рассеяния (σ)
В силу своей специфики ни один линзовый объектив не сможет обеспечить угол сбора более 1 ср. В этой связи в качестве компонента для сбора рассеянного света вместо объектива предлагается использовать сферическое зеркало, установленное на главной оптической оси прибора внутри газовой кюветы таким образом, чтобы можно было направлять свет, который рассеивается из области перетяжки лазерного луча в сторону, противоположную выходному окну кюветы, на входную щель спектрального прибора. В силу своей специфики сферическое зеркало позволяет обеспечить угол сбора до 2π ср.
При этом стоимость светосильного сферического зеркала будет значительно ниже стоимости светосильного качественного объектива. Помимо этого необходимо отметить, что зеркала в отличие от некоторых объективов свободны от хроматических аберраций, что отражается на качестве изображения и, соответственно, регистрируемых спектров КР.
1
2
1
2
Помимо факта использования сферического зеркала особое значение имеет его расположение относительно перетяжки лазерного луча и спектрального прибора. Дело в том, что максимальная эффективность передачи световой энергии будет обеспечиваться в случае максимального заполнения светом входного (коллиматорного) объектива спектрального прибора. Данное условие может быть обеспечено только в случае согласования входного относительного отверстия спектрального прибора и относительного отверстия оптического компонента, используемого для направления светового потока (в данном случае это сферическое зеркало). В этой связи расстояние ОВ (расстояние от зеркала до входной щели спектрального прибора), при условии, что лучи от зеркала до спектрального прибора проходят сквозь две среды с более высоким коэффициентом преломления (выходное окно и голографический фильтр), в силу геометрии, должно быть: OB=[D/(D′/F′)]+H+H, где D - диаметр зеркала, D′/F′ - входное относительное отверстие спектрального прибора, а H и Н - толщины выходного окна кюветы и голографического фильтра вдоль оптической оси. В свою очередь, относительно лазерной перетяжки зеркало, в соответствии с формулой для тонкой линзы, должно располагаться на расстоянии OA=F*OB/(OB-F), где F - фокусное расстояние зеркала.
На фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемого светосильного КР-газоанализатора.
Светосильный КР-газоанализатор содержит лазер 1, работающий в непрерывном режиме, фокусирующую линзу 2, газовую кювету 3, ловушку для лазерного излучения 4, сферическое зеркало 5, голографический фильтр 6, спектральный прибор 7, ПЗС-матрицу 8, блок управления 9 и ПК 10.
Предлагаемый светосильный КР-газоанализатор работает следующим образом.
1
2
1
2
Возбуждающее излучение от лазера 1 фокусируется линзой 2 в центре газовой кюветы 3, внутри которой оно рассеивается на молекулах анализируемого газа. Лазерное излучение, пройдя сквозь внутренний объем кюветы, попадает на ловушку 4 и поглощается ей, при этом, не давая паразитного рассеянного света. Полезное, рассеянное на молекулах газа излучение, наибольшая интенсивность которого находится в центре кюветы в перетяжке лазерного луча, собирается сферическим зеркалом 5 и направляется на вход спектрального прибора 7, перед которым установлен узкополосный голографический фильтр 6, роль которого значительно ослабить интенсивность упругого рассеяния света на частоте возбуждающего излучения, при практически 100-процентном пропускании всего остального диапазона длин волн. При этом, необходимо отметить, что сферическое зеркало 5 располагается внутри кюветы на расстоянии OB=[D/(D′/F′)]+H+H от входной щели спектрального прибора, а от области перетяжки лазерного луча на расстоянии OA=F*OB/(OB-F), где D и F - диаметр и фокусное расстояние зеркала, D′/F′ - входное относительное отверстие спектрального прибора, а H и Н - толщины выходного окна кюветы и голографического фильтра вдоль оптической оси. Спектральный прибор 7 разлагает попавший в него свет в спектр, который далее регистрируется ПЗС-матрицей 8, установленной на его выходе. Последняя передает электрические сигналы в блок управления 9, откуда они направляются на ПК 10 для проведения математической обработки, вычисления концентраций газовых компонентов и визуализации результатов.
Предлагаемое изобретение характеризуется высокой достоверностью анализа, обусловленной регистрацией спектров КР газовых сред с высокой интенсивностью, малым уровнем фонового излучения и, соответственно, высоким соотношением сигнал/шум.