Способ измерения фоновых концентраций молекулярного водорода и устройство для его осуществления

 

1, Способ измерения фоновых концентрзций молекулярного водорода, включающий облучение объема среды лазерным излучением на частотах и, и СО, разность которых совпадает с частотой вращательных колебаний молекулярного водорода, и регистрацию рассеянного излучения на тех же частотах, отличающийся тем, что, с целью обеспечения дистанционной регистрации водорода в реальной атмосфере и повышения экспрессности, допоЛнительно облучают среду излучением на частоте Q с изменением задержки строб-импульса на время прохождения излучения через исследуемый объем, изменяют частоту излучения

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (Я)5 С 01 М 21/39

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ь У nz (1 +и j Г ) /

1btiz с d3 /de 1

1+n аР

d9

N

А

D

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ HOMHTET

f}0 ИЗОБРН1=НИЯМ И ОТНРЦТИЯМ

ПРИ fHHT СССР к двтоеСКомМ СвидкткльСтам (21) 3396016/25 (22) 18.02.82 (46) 30.05.92. Вюл. У 20 (71) Институт геохимии и аналитической химии им, В.И, Вернадского (72) A.Ф, Ьункин и А.Л, Суровегин (53) 536.35(088,8) (56) Кунин Л.Л. и др. Об определении водорода в природных водах, Геохимия, У1 10, 1978, с ° 1536.

Оыуоцпв. А. Stimulated Raman Gain

Spectroscopy Utilizing Pulsed Dye

Lasers.. Т, truant. Electronic., gE — 14, lEEE, 1978, р, 192.. (54) СПОСОЬ.ИЗМЕРЕНИЯ ФОНОВЫХ КОН ЕНТРД ИЙ МОЛЕКУЛЯРНОГО 8090POJA И

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЦЕСТВЛЕНИЯ (57) 1, Способ измерения фонон х кон центраций молекулярного водорода, включающий облучение обьема среды лазерным излучением на частотах ), и

Я, разность которых совпадает с частотой вращательных колебаний молекулярного водорода, и регистрацию рассеянного излучения на тех же частотах, отличающийся тем, что, с целью обеспечения дистанционной регистрации водорода в реальной атмосфере и повышения экспрессности, дополнительно облучают среду излучением на частоте И, с изменением задержки строб-импульса на время прохождения излучения через исследуемый обьем, изменяют частоту излуч ения Q скач кооб" разно да получения нерезонансного рас сеяния, регистрируют полученные интенсивности и определяют величину фо" новой концентрации водорода по формуле:

„„Я.) „„1095784 А1

N=K) — — -- -1 exp(- — — 1п(- — )) Э, А Р Dz Г t . А Dap>

)Dzp Az t Qt 0 Agp коэффициент, связывающии мощность излучения первого лазера с амплитудой отклика фотодатчи ка; постоянная Планка; круговая частота излучения второго лазера; показатель преломления среды на длине волны второго лазера; ширина линии излучения второго лазера; фактор, учитывающий разность населенностей; сечение рассеяния К для водо- . родаа; длина взаимодействия лучей; концентрация молекул водорода; амплитуда импульса с фотоэлеай . ктронного умножителя (ФЭУ) на длине волны первого лазера; амплитуда импульса с ФЭУ на О длине волны второго. лазера; СЛамплитуда импульса с фотодат- 4 чика «а длине волны первого QQ лазера; фь амплитуда импульса с фотодатчика на длине волны второго лазера; аналогичные величины в резо-. нансном случае; время задержки строо-импульса;. изменение времени задержки строб-импульса.

Z. Устройство для измерения фоновых концентраций молекулярного водорода, содержащее два лазера, спектро-. граф, два ФЭУ, блок вывода информации, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что оно деподнительно содержит генератор строб-импульса, блок задержки стробимпульса, блок управления длиной волны излучения второго лазера, два фото- 30 датчика, автоколлиматор, четыре преобразователя импульсного напряжения, блок математической ооработки и блок ввода программ, при этом оба лазера

>оптически связаны между соЬой и каждый )g из них оптически связан с соответству>ощим фотодатчиком, а автоколлиматор оптически сопряжен со спектрографом, выход блока математической обработки соединен с блоком вывода информации, а

84

4 а входы соединены соответственно с блоком ввода программ, Ьлоком задержки строб-импульса, выходом блока управления длиной волны излучения второго лазера и выходами преобразователей им" пульсного напряжения, входы которых соединены с выходом блока задержки строб-импульса, причем другие входы ° преобразователей импульсного напряжения попарно соединены с фотодатчиками и фЭУ, а один.из входов блока, задержки строб-импульса соединен с выходом ге" нератора строб«импульса, оптически связанного с первым лазером, а другой— с одним иэ выходов блока управления длиной волны излучения второго лазера, второй выход которого соединен с вторым лазером.

Изобретение относится к области спектроскопии газов и атмосферной оптики и может быть использовано в част- -ЗО мости для измерения содержания молекулярного водорода в водах и приповерхиостной атмосфере, Известен способ регистрации фоноых концентраций водорода в воде, зак- > ючающийся в извлечении газов„ растворенных в воде, с помощью камеры с пониженным давлением, осле чего полученная проба газа пропускается через хроматогра@ическуа колонку и паступа ет ю твврдоэлектролитную ячейку, чувствительную только -к двум компонентам смеси газов: водороду и кислороду, Последний отделяется в хроматографичвской колонке. Приращение тока в цепи ячейки фиксируется пишущим вольтметром.

Способ реализуется с помощью устройства, состоящего из манометра электронного Ьлока, форвакуумного на" @ соса, Ьаллона со сжать>м аогоном, дозатора, хроматографической колонкиа .колонки для извлечения газов из воды, устройства забора воды, датчика, нагрузочного резистора, пишущего вольтметра, источника тока, водяного насоCB °

Время анализа определяется временем извлечения газов иэ воды и времекем на копления водорода и соста вляет

) " мин, Ошибка способа вследствие его многостадийности составляет 20-304.

СпосоЬ позволяет измерять концентрацию водорода в воде на уровне

39 7 о6.3, но недостаточно экспрессен и не обеспечивает дистанционной ре" гистрации водорода в реальной атмоcyeре, Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ измерения концентрации молекуляр" ного водородаа. включающий облучение обьема среды лазерным излучением на частотах Я, и 03<, разность которых совпадает с частотой вращательных колебаний молекулярного водорода, и регистрацию рассеянного излучения на тех же частотах.

Способ состоит в пространственном совмещении в кювете с исследуемым ве» ществом двух лазерных пучков с частотами Я< р, такими, что г1,- Я = Q гда тт " частота конЬинационно"актиаГ ного колебания излучаемых молекул.

Вследствие нелинейно-оптических взаи" модействий волн с частотами Я,, Я> на кубической нелинейности комбинационного типа (в центросимметричной среде), при амплитудной модуляции с частотой Q одной из волн (например, 84 6

Целью изобретения является оЬеспечение дистанционной регистрации фоновых концентраций водорода в реальной атмосфере и повышение экспрессности измерений.

Указанная цель достигается тем, что в cnocobe регистраци1л фоновых концентраций молекулярного водорода,включающем облучение объема среды лазерным излучением на частотах Я, и Я2, разность которых совпадает с частстой вращательных колеЬаний молекулярного водорода, и регистрацию рассеянного излучения на тех же частотах, дополнительно облучают среду излучением на частоте 43, с изменением задержки строб-импульса на время прохождения излучения через исследуемый объем, изменяют частоту излучения Я2 скачкообразно до получения нерезонансного рассеяния, регистрируют полученные нтенсивности и определяют величину оновой концентрации водорода по фор-. муле: где с - скорость. света; N — плотность. молекул --- — сечение Кв изуd3

dg аемых молекул; 1 — длина взаимодействия лучей с частотами Я„Я ., h - постоянйая Планка; п - показатель преломления среды на частоте Q<, 1+и— фактор, учитывающий разность населенностей исследуемых уровней i+n=1 при

Т = 00 K) Г - ширина резонанса;

Р, Р2 - мощности волн с частотами 20

Я,, Я2, т.е. величина амплитудной модуляции пропорциональна числу частиц

N, длине взаимодействия 1, мощности

«d 3»

8 "силе" линии К - -. Регистрация р

Э

Рd осуществляется путем синхронного детектирования на частоте Я2 излучения с частотой Q, выделенного спектральным прибором, где

Способ реализуется с помощью уст- 30 ройства, содержащего два лазера, спектрограф, два фотоэлектронных умножителя (ФЭУ), блок вывода информациии, Излучение лазеРов пространственно совмещается в кювете, при этом амплитуда излучения первого лазера модулируется модулятором, частота модуляции .задается генератором. Оптическое излучение частоты < второго лазера выделяется спектрографом, регистрирует,ся, и после усиления поступает на вход синхронного детектора, выделяющего составляющую, соответствующую частоте модуляции Яо амплитуды первого лазера, амплитуда синхронного детектиро. ванного сигнала поступа.ет на блок вывода информации.

А р D2 t А1 0е

N=K -- — -1 ° ехр — — 1n (— -") D, 1 р Аа ht D, Ар 7

Ъ 2

h Q2 nz (1+и) л2 г d

16вс д 1 п2

1+n—

D (5

10957 частоты 63 ), амплитуды другой волны также испытывает модуляцию с частотой Яо, величины которой В Р /Р2 определяется по формуле: Р -7 1 d3 4 3 2 — — = 16» с N 1(hag и (1+й)Г) Р, Р2 de " ° ()Г

К недостаткам известного техничес" кого решения следует отнести невозможность его использования при дистанционных измерениях, так как исследуемый объем должен находиться между источником и приемником излучения, а также ограниченная чувствительность спосоЬа при детектировании малых примесей, в особенности при определении фоновых концентраций водорода. коэффициент, с вязыва ющий мощност ь и злуч ения пер во ro лазера с амплитудой отклика фотодатчика; постоянная Планка; круговая частота излучения второго лазера; показатель преломления сре" ды на длине волны второго лазера; ширина линии излучения второго лазера; фактор, учитывающий разность населенностей; сечение рассеяния Кр для водорода; длина взаимодействия лучей; концентрация молекул водорода; амплитуда импульса с ФЭУ на длине волны первого лазера; амплитуда импульса с ФЭУ на длине волны второго лазера; амплитуда импульса с фото" датчика на длине волны первого лазера;

1О.

11 — амплитуда импульса с фотодат2 чика на длине волны второго лазера;

А,А я

Э,П вЂ” аналогичные величины в резона нсном слу чае; время задержки строб-импульса;

2 t — изменение времени задержки строб-импульса .

Способ может быть осуществлен устройством, содержащим два лазера, спектрограф, два фЭУ, блок вывода информации, в который дополнительно введены генератор строб-импульса, блок задержки строб-импульса, блок управления длиной волны излучения второго лазера, два фотодатчика, автоколлиматор, четыре преобразователя импульсного напряжения, блок математической обработки и блок ввода программ, при этом оЬа лазера оптически связаны между собой и каждый иэ них оптически связан с соответствующим фотодатчиком, а автоколлиматор оптически сопряжен со спектрографом, выход блока математической оЬработки соединен с блоком вывода информации, а входы соединены соответственно с блоком ввода прог" рамм, блоком задержки строб-импульса, выходом блока управления длиной волны излучения второго лазера и выходами преобразователей импульсного напряжения, входы которых соединены с выходом блока задержки строЬ-импульса. причем другие входы преобразователей импульсного напряжения попарно соединены с фотодатчиками и ФЭУ, а один из входов блока задержки строб-импульса соединен с выходом генератора строб-импульса, оптически связанного с первым лазером, а второй - с одним иэ выходов блока управления длиной волны излучения второго лазера, второй выход которого соединен со вторым лазером„

На чертеже представлена принципи" альнзя схема устройства. Оно состоит из лазера 1, например импульсного на

Nd YAG . (частота повторения импуль"

Сов до 50 Гц), вторая гармоника которого (9< = 532 нм) имеет мощность

Р = 10 Вт, длительность импульса с = 10 нс, лазера 2 на красителе роИ дамин 6Ж P = 500 кВт, ширина линии генера ции J, 01 см, амплитудная не" стабильность 0, 54 блока 3 управления частотой лазера 2, двух фотодатчиков 4.1, 4.2 (выполненных, например, И84

8 в виде фотодиодов или лавинных фото" диодов), двух ФЭУ 5.1, 5-2, автокол" лиматора 6, спектрографа /, четырех стробируемых преоЬразователей 8.1, 8.2, 8, 3, 8.4 импульсного напряжения в постоянное, генератора 9 строб-импульса, блока 10 задержек стробирующих импульсов, блока 11 математической обработки сигналов, блока 12 ввода программ обработки и блока 13 вывода: информа ции в реальном масштабе speмени „

Устройство работает следующим образом.

Варьируя угол между лучами с частотами Q, и Я, совмещают их в объе- ме, намеченном для анализа. При этом в блоке 10 задержки стробирующих им20 пульсов устанавливают задержку стробируюцего импульса, поступающего на преобразователи 8.3, 8.4, подключенные к ФЭУ, 1 и 5.2, соответствующую расстоянию до области пересечения ла" я5 эерных лучей.

Частота CD< лазера 2 изменяется при помощи блока 3 управления частотой скачкообразно, причем, если в од" ном импульсе условие Я, - Я = Q

З© где Q - вращательная линия комбинационного рассеяния водорода, выполняет" ся точно, то в следующем импульсе расстройка от этого резонанса должна быть такова, чтобы имел место нерезонансный случай„ Для типичных значений шиЗ5 рины резонансных линий молекулярного водорода Г а 0,01 см и типичных значений ширины спектра выходного излуче.ния лазера 2 на красителе Г к 0,01 см видно, что вполне достаточна отстрой"О ка на одну ширину линии генерации лазера, Блок управляет также и временем задержки стробирующего импульса, по" ступающего на преобразователь 6.3, 45 соединенный с ЮЭУ 5,1, регистрирующим излучение на длине волны лазера 1.

Времл задержки выбирается таким, что в случае тэчного резонанса время задержки должно точно соответствовать

S0 времени прохождения светового сигнала от зоны пересечения лучей лазеров до ФЭУ, а в случае отсройки это время отличается на некоторую величину Q t, причем величину Дс легко оценить из

55 rëåäóþùèõ соображений. Время задержки к определяет местоположение эоны, рассеянный свет иэ которой подвергается анализу. Изменение этого времени необходимо для определения коэффициента

10.957 поглощения излучения лазера 1, т.е. величина g t должна быть наименьшей для того, чтобы можно было пренебречь локальными изменениями коэффициента поглощения. 8 реальных условиях можно

5 принять величину g г равной длительности строЬнрующего импульса.

Сигналы со всех преобразователей

8. 1-8.4 с блока 10. временных задержек 1 и с блока 3 управления частотой подаются в блок 11 математической o6pa- . ботки, в качестве которого можно ис" пользовать микро-ЭВМ. Величины Р< и .

Р,, представляют собой мощности лазер" нйх пучков в зоне пересечения, поэто-. му необходимо знать все потери энергии лазерного излучения на пути от излучателя до места пересечения и обратно. Для этого предусмотрено пере" о ключение времени задержки стробирующего импульса и частоты лазерного из- . лучения Яг . В эксперименте известны ,.амплитуды электрических импульсов, поступающих с датчиков. Обозначим:

А - амплитуда импульса с первого фЭУ, регистрирующего излуче" ния на длине волны лазера 1

° A е -. амплитуда импульсов со второго ФЭУ, регистрирующего излучения на длине волны лазера 2;

Э < - амплитуда импульса Фотодатчика 4.1 лазера 1;

D — амплитуда импульса с фотодат г чика 4.2 лазера 2.

В случае резонанса - к этим обозначениям добавляется индекс. "р".

64

В блоке математической обраЬотки происходит обработка сигналов по программе, реализующей следующую формулу:

-1

А о Qg с Ai Dss

N — - -1 ° ехр — — 1n(- - ) D,К, вар А2 лс D1A, Т (2) где К - некоторая постоянная величиr на, определяемая из формулы:

К= Ф Я и (1+и) ГУ) /(16 ii с ---1) . (3) 1 " коэффициент, связывающий мощность излучения лазера 1 с амплитудой отклика фотодатчика, который находится по измерениям.

Для увеличения точности измерения концентрации водорода применяется усреднение результатов по нескольким импульсам.

Применение изобретения, его новой методики дистанционной регистрации с. использованием нового устройства позволяет получить экспрессную и точную . информацию о фоновом содержании концентрации водорода в атмосфере. Зкспрессность способа превышает экспрессиость ныне применяемых способов более чем на два порядка что, в свою очередь,; определяет вйсокое пространственное разреавние способа, позволяющее набвадать пятнистую" структуру распределения. водорода над поверхностью Земли и в природных водах в натуреас экспериментах.

1 09) 7Ь 4

Редактор Т, Шарганова Техред И. Попо@иц

Корректор И. Самборская

Заказ 2442 . Тираж Подписное

ВНИИПЙ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

313035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 303