Лазерный спектрофон

 

ЛАЗЕРНЫЙ СПЕКТРОФОН, содержащий лазер и измерительную камеру , выполненную из металла, с оптическими торцовыми окнами и встроенным микрофоном, соединенным с блоком регистрации, отличающийся тем, что, с целью снижения пределов обнаружения анализируемых примесей в веществе, на боковые стенки камеры последовательно , нанесены слой поглощающего излучечение лазера материала и слой оптически прозрачного для излучения материала с толщиной, не менее чем в три раза превьшающей длину тепловой диффузии в зтом материале.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

Ф ;,, ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ /

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3586438/18-25 (22) 31.01.83 (46) 23.04.84. Бюл. В 15 (72) В,Н. Жаров (71) МВТУ им. Н.Э, Баумана (53) 543.42(088.8) (56) 1. Горелик Д.О., Сахаров Б.Б.

Оптикоакустический эффект в физико" химических измерениях. М., Изд-во комитета стандартов,,1969.

2. Жаров В.П. Оптико-акустический метод в лазерной спектроскопии.

В кн. Новые методы спектроскопии, под ред. С.Г, Раутиан. Новосибирск, .

"Наука", 1982, с. 144-153 (прототип).

„„SU„„1087842 A

З ю G 01 Н 21/37 (54) (57) ЛАЗЕРНЫЙ СПЕКТРОФОН, содержащий лазер и измерительную камеру, выполненную из металла, с оптическими торцовыми окнами и встроенным микрофоном, соединенным с блоком регистрации, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью снижения пределов обнаружения анализируемых примесей в веществе, на боковые стенки камеры последовательно нанесены слой поглощающего излучечение лазера материала и слой оптически прозрачного для излучения материала с толщиной, не менее чем в ! три раза превышающей длину тепловой диффузии в этом материале.

)087842

Изобретение относится к технике анализа газов методами лазерной абсорбцнонной спектроскопии и может быть использовано для исследования слабопоглощакщих газовых сред, на- 5 пример, для изучения запрещенных переходов нли "горячих" полос поглощения, а также для детектирования микропримесей в газах в задачах биологии, медицины, химии, охраны окружающей среды и т.п.

Известны оптико-акустические газоанализаторы, принцип действия которъас основан на измерении поглощенной энергии резонансного излучения в газах путем регистрации возникающих акустических колебаний (1 1.

Возникновение этих колебаний объясняется преобразованием части поглощенной энергии в результате 20 беэизлучательной релаксации в тепловую энергию среды. Использование лазерного излучения высокой мощности позволяет существенно повысить чувствительность оптико-акустических газоанализаторов и применять их для детектирования следовых количеств примесей в газах.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является ла- 30 зерный спектрофон, содержащий лазер и измерительную камеру выполненную иэ металла с оптическими торцовыми окнами, в измерительной камере находится исследуемай газ. При пропуска- 35 иии резонансного лазерного излучения в измерительной ячейке формируются акустические колебания, которые регистрируются микрофоном и фиксир яптся в блоке регистрации 12 3. 40

Недостатком известного устройства являются его высокие пределы обнаружения концентрации анализируемых веществ, ограничиваемые фоновыми акустическими колебаниями, обуслов-. 45 ленными поглощением лазерного asлучення иа стенках измерительной ячейки.

Целью изобретения являе.тся снижение пределов обнаружения аналиэируеЮ мых примесей в веществе.

Поставленная цель достигается тем, что в лазерном спектрофоне, содержащим лазер и измерительную камеру, выполненную из металла, с оптичес- . кими торцовыми окнами и встроенным микрофоном, соединенным с блоком регистрации, на боковые стенки камеры последовательно нанесены слой поглощающего излучение лазера материала и слой оптически прозрачного для излучения материала с толщиной, не менее чем в три раза превышающей длину тепловой диффузии в этом материале.

На чертеже схематически представ.— .. лено предлагаемое устройство.

Устройство содержит лазер 1, измерительную камеру 2, стенки 3 камеры, оптические окна 4, черненный слой 5, оптическое покрытие 6, микрофон 7, микрофон 8.

Устройство работает следующим образом.

Излучение от лазера l пропускается через измерительную камеру 2 с исследуемым газом сквозь оптические окна 4. Часть мощности лазерного излучения поглощается газом и в результате безизлучательных переходов в камере 2 формируются акустические колебания, которые регистрируются микрофоном 7. Часть излучения попадает на стенки камеры. Причиной этого являются дифракционные эффекты на входных элементах устройства, рассеяние и отражение излучения в окнах камеры, а также касание стенок камеры "крыльями" лазерного пучка, нмекщего обычно в поперечном сечении гауссов профиль, Попадание излучения на стенки камеры вызывает их нагрев, который передается соприкасающейся со стенкой среде ° Если этой средой является гаэ, то в нем возникают акустические колебания, которые и являются фоновыми. Для их исключения металлические стенки 3 камеры 2 покрыты слоем оптически прозрачного материала 6. При наличии такого слоя излучение беспрепятственно попадает сквозь него на стенки камеры, где и поглощается. Однако выделившееся тепло на поверхности съенок передается не газу, а соприкасающемуся с ним оптическому материалу. Благодаря малой величине тепловой диффузии в этом материале по .сравнению с газом тепло относительно медленно распространяется по этому материалу н при достаточной толщине последнего тепловая волна полностью затухает и не доходит до газа. Для практически полного подавления тепловой волны толщина стенки должна не менее, чем в три раза превышать дли1087842

Составитель О. Матвеев

Редактор П. Коссей Техред Л.Коцюбияк Корректор О.Тигор

Заказ 2647/38 Тираж 823 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Иосква Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент" r. Ужгород, ул. Проектная, 4 ну тепловой диффузии. При этом условии амплитуда тепловой волны уменьшается не менее чем на два порядка, что вполне достаточно при решении большинства практических задач. В силу большой величины коэффициента отражения от металлов часть падающего на стенки излучения отражается обратно в камеру и вновь участвует в образовании фоновых сигналов. Для tO исключения этого предлагается зачернить стенки для поглощения на них большей части падающего излучения.

Таким образом, за.счет введения, дополнительного слоя оптического jg материала и чернения поверхности стенок удается подавить фоновые сигналы не менее чем на два порядка и понизить тем самым пределы обнаружения молекул в анализируемом веществе лазерного спектрофона. При работе в видимой области спектра в качестве оптического материала можно использовать обычное стекло или кварц. При работе в инфракрасной области вполне 25 пригодны такие достаточно распространенные материалы, как LiF, GaP» . ZnSe Се, тефлон и др.

Конструктивно слой оптического материала на поверхность стенок мож- щ

4 но нанести в виде отдельных небольших пластинок, пристыкованных друг к другу нли же в виде цельной конструкции, совпадающей с геометрией камеры. Например, в случае цилиндрической камеры слой оптического материала выполняется в виде цилиндра, внешний диаметр которого совпадает с диаметром камеры. Требуемая толщина оптического слоя в большинстве типичных задач колеблется в пределах от нескольких десятых до 1,52 мм. Нри использовании тефлона нанести его на поверхность стенок можно в виде порошка с последующим его расплавлением.

Предварительные испытания показывают высокую эффективность предлагаемого устройства в увеличении пороговой чувствительности спектрофона за счет подавления фоновых сигналов от поглощения излучения стенками измерительной камеры. Особенно перспективно использование изобретения в задачах, где требуется использовать.спектрофон с наименьшим внутренним диаметром, например, при применении его в качестве хроматографического датчика.