Способ измерения концентрации кислорода в газовых смесях

Изобретение относится к лазерному газовому анализу и может быть использовано для бесконтактного и дистанционного определения концентрации молекулярного кислорода в воздушной атмосфере или произвольной смеси газов. Способ измерения концентрации кислорода в газовых смесях включает оптическое возбуждение молекул красителя по схеме записи динамических голографических решеток, тушение кислородом триплетных состояний этих молекул и измерение концентрации кислорода, причем измерение концентрации кислорода проводится по регистрации интенсивности и спектра излучения, генерируемого лазером с распределенной обратной связью, накачка которого осуществляется через записанную голографическую решетку. Изобретение обеспечивает повышение чувствительности измерения концентрации кислорода в газовых смесях, а также дистанционности измерения концентрации молекулярного кислорода. 2 ил.

 

Изобретение относится к лазерному газовому анализу и может быть использовано для бесконтактного и дистанционного определения концентрации молекулярного кислорода в воздушной атмосфере или произвольной смеси газов.

Известен «Способ определения кислорода в газах» (SU 1712839, МПК G01N 21/64, опубликовано 15.02.92), основанный на повышении точности измерений и расширении области применения способа за счет увеличения интенсивности свечения и улучшения отношения сигнал-шум. В основе данного способа лежит регистрация интенсивности замедленной флуоресценции (ЗФ), инициированной возбуждением триплетных молекул люминофоров в полосе их электронного триплет-триплетного поглощения.

Известен «Способ определения кислорода в газах» (SU 1363031, МПК G01N 21/64, опубликовано 30.12.87), основанный на повышении чувствительности определения кислорода в диапазоне концентраций 0,17-440 мкг/л, в котором краситель вводят в сорбент и измеряют линейное увеличение интенсивности замедленной флуоресценции. Физический принцип датчика основан на переносе энергии электронного возбуждения молекулами кислорода между возбужденными молекулами люминофоров.

Известно «Устройство для измерения концентрации кислорода в жидкостях и газах» (RU 2156969 С1, МПК G01N 21/64, опубликовано 27.09.2000). Устройство содержит оптически связанные импульсный источник излучения, кислородный сенсор и фотоприемное устройство, выход которого связан с электронной схемой обработки измеренных сигналов, содержащей электрически связанные предусилитель, усилитель переменного тока, коэффициент передачи которого зависит от измеряемого сигнала, детекторы для измерения интенсивности затухающей длительной люминесценции, схему сравнения измеренного первым детектором амплитудного значения сигнала с опорным напряжением, схему сравнения выходных сигналов двух других детекторов, синхронизатор работы детекторов и блока питания импульсного источника излучения, преобразователь выходного сигнала второй схемы сравнения в частоту, преобразователь частоты в концентрацию кислорода и блок визуального отображения концентрации кислорода. Технический результат - высокая чувствительность измерений.

Основным недостатком описанных способов является ограниченный диапазон концентраций кислорода, в котором достигается высокая чувствительность измерений.

Известен способ определения содержания кислорода в газовой фазе (Кучеренко М.Г. Кинетика нелинейных фотопроцессов в конденсированных молекулярных системах. Оренбург: ОГУ. 1997. - 386 с.), в котором, с целью увеличения чувствительности измерений, предлагается использовать не величину, а форму сигнала замедленной аннигиляционной флуоресценции фотопроцесса, протекающего в два этапа с участием молекул люминофоров и молекулярного кислорода. Недостатком указанного способа является возможность его использования только в узком диапазоне концентраций кислорода в окружающей газовой среде.

Известен «Способ определения концентрации кислорода» (RU 2231775 С1, МКИ G01N 21/63, опубликовано 27.06.2004), основанный на оптическом возбуждении молекул красителя и тушении кислородом триплетных состояний его молекул. Возбуждение красителя осуществляют по схеме записи динамических голографических решеток, а о концентрации кислорода в окружающей среде судят по сигналу дифракции луча, считывающего голограмму.

Данный способ является наиболее близким аналогом и принят за прототип. Недостатком данного способа является ограниченный диапазон концентраций кислорода, в котором достигается высокая чувствительность измерений.

Техническим результатом, на который направлено заявляемое изобретение, является повышение чувствительности способа измерения концентрации кислорода в газовых смесях, а также дистанционности измерения концентрации молекулярного кислорода.

Поставленные задачи решаются тем, что в способе измерения концентрации кислорода в газовых смесях, включающем оптическое возбуждение молекул красителя по схеме записи динамических голографических решеток, тушение кислородом триплетных состояний этих молекул и измерение концентрации кислорода проводится по регистрации интенсивности и спектра излучения, генерируемого лазером с распределенной обратной связью (РОС-лазера), накачка которого осуществляется через записанную голографическую решетку.

Процесс измерения концентрации молекулярного кислорода заключается в следующем:

- перевод в триплетное состояние фотоактивных молекул красителя (эритрозин) в кислородопроницаемой полимерной матрице в присутствии кислорода над поверхностью образца. Возбуждение осуществляется интерференционным полем излучения инициирующего лазера. В результате в фотоактивной полимерной матрице записывается нестационарная голографическая решетка из возбужденных триплетных состояний молекул красителя. Дифракционная эффективность полученной голографической решетки однозначно определяется количеством молекулярного кислорода в образце;

- зондирующий луч, дифрагируя на полученной голографической решетке, создает в объеме спиртового раствора брэгговскую решетку из возбужденных молекул лазерного красителя, которая, в свою очередь, является распределенным резонатором для РОС-лазера;

- регистрируется излучение, генерируемое РОС-лазером. По характеристикам излучения РОС-лазера (относительная интенсивность, порог генерации, форма спектра генерации) измеряется концентрация кислорода.

На фиг.1 изображена принципиальная схема лазерной голографической установки для осуществления способа измерения концентрации кислорода в газовых смесях.

На фиг.2 изображен образец, на котором проводится измерение концентрации кислорода.

Установка состоит из инициирующего твердотельного лазера YAG:Nd3+ с удвоением частоты (λ=532 нм, τ=12 нс, 15 мДж) 1, зондирующего гелий-неонового лазера или диодного лазера 2 (λ=630-650 нм, 200-300 мВт), фокусирующей линзы 3, образца 4, состоящего из фотоактивной полимерной матрицы (ФПМ) 5, нанесенной на кювету 6 со спиртовым раствором лазерного красителя 7 (нильский синий), зеркал 8 и 9, монохроматора 10, фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) 11, цифрового осциллографа 12, делителя пучка 13, персонального компьютера 14, генератора 15, фокусирующей линзы 16.

Способ измерения концентрации кислорода в газовых смесях осуществляют следующим образом.

С целью создания ФПМ 5 краситель внедряют в кислородопроницаемую полимерную пленку. В роли такой матрицы может выступать кислородопроницаемый полимер, прозрачный в видимой области спектра, например поливинилбутираль. В качестве красителей для ФПМ 5 необходимо использовать красители с высоким квантовым выходом в триплетное возбужденное состояние, например эритрозин или эозин. Полученную ФПМ 5 наносят на кювету 6 со спиртовым раствором лазерного красителя (нильский синий) 7, который выступает в дальнейшем в качестве активной среды РОС-лазера.

Импульсное возбуждение ФПМ осуществляется твердотельным лазером YAG:Nd3+(λ=532 нм) 1. Возбуждающий луч делится делителем пучка 13 на два луча равной интенсивности. Далее с помощью зеркала 8 и линзы 3 два луча сводятся на образце 4 и формируют в объеме ФПМ 5 интерференционное электромагнитное поле. В областях максимумов интерференционной картины молекулы красителя поглощают кванты электромагнитной энергии и переходят в электронно-возбужденное триплетное состояние. При этом в ФПМ 5 записывается нестационарная голографическая решетка из возбужденных и невозбужденных молекул красителя. Пучок зондирующего лазера 2 с длиной волны λ=630-650 нм направляется зеркалом 9 на образец 4, проходит через голографическую решетку в ФПМ 5 и за счет триплет-триплетного поглощения дифрагирует на ней. В силу того, что молекулярный кислород является активным тушителем электронно-возбужденных триплетных состояний молекул красителя, от концентрации кислорода в ФПМ 5 будет напрямую зависеть амплитуда модуляции голографической решетки, что, в свою очередь, регистрируется по изменению интенсивности первого порядка дифракции.

Зондирующий луч лазера 2, дифрагируя на голографической решетке из электронно-возбужденных триплетных состояний молекул красителя, создает в объеме спиртового раствора нильского синего 7 брэгговскую решетку из возбужденных молекул. В результате возникают синглетные S1 возбужденные состояния молекул лазерного красителя, способные впоследствии участвовать в излучательном переходе в основное S0 состояние с испусканием кванта быстрой флуоресценции. Генерация РОС-лазера возникает за счет усиления спонтанного излучения молекул лазерного красителя в брэгговской решетке из возбужденных молекул, которая является распределенным резонатором для РОС-лазера.

Характеристики РОС-лазера, в частности: относительная интенсивность, порог генерации, спектр генерации, будут определяться параметрами брэгговской решетки, которые, в свою очередь, зависят от триплет-триплетного поглощения излучения зондирующего лазера, а значит, от концентрации кислорода в ФПМ 5.

Генерируемое излучение РОС-лазера фокусируется линзой 16 на щель монохроматора 10, затем регистрируется фотоэлектронным умножителем (ФЭУ) 11. Последующая обработка сигнала производится при помощи цифрового осциллографа 11 и персонального компьютера 14. С компьютера 14 также осуществляется синхронизация лазера 1 и осциллографа 12 при помощи генератора 15.

Использование заявленного способа измерения концентрации кислорода в газовых смесях, по сравнению с прототипом, позволяет проводить измерения концентрации кислорода в ранее недоступных зонах чувствительности и дистанционности, не охваченных прототипом. В предлагаемом нами способе измерения концентрации кислорода в газовых смесях наблюдаемый сигнал генерации РОС-лазера непосредственно несет информацию о концентрации кислорода. При этом существенно нелинейный, пороговый характер генерации РОС-лазера определяет чрезвычайно высокую чувствительность предлагаемого способа (значительные изменения интенсивности сигнала генерации РОС-лазера при незначительных изменениях концентрации кислорода). Еще одним несомненным плюсом предлагаемого способа измерения концентрации кислорода является возможность сдвигать область наивысшей чувствительности (область порога генерации) по шкале концентраций, изменяя мощность и длительность накачки РОС-лазера.

Кроме этого несомненным преимуществом предложенного способа измерения концентрации кислорода является возможность плавной перестройки длины волны регистрируемого излучения РОС-лазера в пределах полосы флуоресценции лазерного красителя. Такая перестройка осуществляется путем изменения угла схождения двух лучей инициирующего лазера.

Способ измерения концентрации кислорода в газовых смесях, включающий оптическое возбуждение молекул красителя по схеме записи динамических голографических решеток, тушение кислородом триплетных состояний этих молекул и измерение концентрации кислорода, отличающийся тем, что измерение концентрации кислорода проводится по регистрации интенсивности и спектра излучения, генерируемого лазером с распределенной обратной связью, накачка которого осуществляется через записанную голографическую решетку.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при измерении температуры поверхности в области лазерного воздействия. Спектральные линии регистрации теплового излучения поверхности пирометром и спектральные полосы регистрации теплового излучения поверхности видеокамерой и спектральные линии излучения источников подсветки располагаются в спектральной полосе пропускания гальвосканера по обе стороны спектральной линии лазерного излучения в ее непосредственной близости.
Изобретение относится к области аналитической химии, а именно к люминесцентному способу определения самария. Способ включает перевод его в люминесцирующее соединение с органическим реагентом.
Изобретение относится к области аналитической химии, а именно к способу люминесцентного определения тербия. Способ включает перевод тербия в люминесцирующее соединение с органическим реагентом.

Изобретение относится к способу измерения в режиме реального времени толщины пленки не содержащего хром покрытия на поверхности полосовой стали. Способ характеризуется тем, что включает следующие стадии: стадия 1: выбирают два растворимых в воде химических вещества, которые содержат элементы P, Ca, Ti, Ba или Sr и не вступают в реакцию с жидкостью для нанесения не содержащего хром покрытия; стадия 2: добавляют два растворимых в воде химических вещества, выбранные на стадии 1, в жидкость для нанесения не содержащего хром покрытия и перемешивают их до гомогенности, после чего изготавливают эталонный образец пленки покрытия; стадия 3: используют излучение, испускаемое прибором определения в автономном режиме толщины пленки, для возбуждения двух растворимых в воде химических веществ для получения характеристических спектров двух растворимых в воде химических веществ и, тем самым, определения толщины пленки покрытия эталонного образца; толщину пленки покрытия, определенную при использовании растворимого в воде химического вещества, которое обладает интенсивным характеристическим спектром, принимают за фактическую толщину пленки, в то время как толщину пленки покрытия, определенную при использовании растворимого в воде химического вещества, которое обладает слабым характеристическим спектром, принимают за измеренную толщину пленки, разницу между фактической толщиной пленки и измеренной толщиной пленки принимают за величину коррекции толщины; многократно проводят операции получения величин коррекции толщины, соответствующие измеренным толщинам пленки, в результате аппроксимации величин коррекции толщины и измеренной толщины пленки получают выражение корреляционной функции между измеренной толщиной пленки и величиной коррекции толщины; стадия 4: добавляют в жидкость для нанесения не содержащего хром покрытия растворимого в воде химического вещества, которое обладает слабым характеристическим спектром, и используют излучение, испускаемое прибором определения в режиме реального времени толщины пленки покрытия, для возбуждения вещества и для получения, таким образом, измеренной толщины пленки, после чего используют выражение корреляционной функции для получения величины коррекции толщины, и, в заключение, исходя из измеренной толщины пленки и величины коррекции толщины получают фактическую толщину пленки покрытия.

Изобретение относится к технологии производства изделий, в которых в той или иной степени используется сшитый полиэтилен, который может быть использован при производстве электрических кабелей, труб для газоводоснабжения и др.

Изобретение относится к измерительному устройству для определения по меньшей мере одного параметра пробы крови, с проточной измерительной ячейкой (1), в которой размещен по меньшей мере один люминесцентно-оптический сенсорный элемент (ST, SO, SG), приводимый в контакт с пробой крови, с по меньшей мере одним источником (4) света для возбуждения люминесцентно-оптического сенсорного элемента и по меньшей мере одним фотодетектором (6) для приема излученного люминесцентно-оптическим сенсорным элементом люминесцентного излучения.

Изобретение относится к области оптоэлектронной техники, микро- и наноэлектроники и может быть использовано для определения профиля распределения концентрации носителей заряда в полупроводниковой квантово-размерной структуре.

Изобретение относится к технологии водообработки и анализу состава природных и сточных вод, конкретно к устройствам, которые можно использовать для контроля содержания растворенных и диспергированных в сточных водах примесей.

Изобретение относится к устройствам для бесконтактного неразрушающего исследования электрофизических характеристик материалов, в частности, к устройствам исследования их люминесцентных свойств.
Изобретение относится к области аналитической химии порошковых материалов, в частности к способам определения массовой доли кислорода в порошках металлов методом атомно-эмиссионной спектроскопии. Способ заключается в подготовке пробы, получении атомно-эмиссионных спектров, идентификации кислорода по спектральной эмиссионной линии с длиной волны 777,19 нм. В качестве источника возбуждения атомно-эмиссионного спектра используют частотный двухимпульсный лазер на основе алюмоиттриевого граната, активированного неодимом, с длиной волны 1064 нм, с задержкой между импульсами, равной 5-10 мкс. Подготовку пробы осуществляют прессованием исследуемого материала с последующей обработкой поверхности образца лазером. При использовании изобретения суммарная относительная погрешность определения массовой доли кислорода в порошках металлов не превышает 15 масс.%; диапазон определения массовой доли кислорода в порошках металлов составляет от 0,1 до 10 масс.%. 3 пр., 1 табл.

Группа изобретений относится к области биотехнологии и направлена на идентификацию микроорганизмов в тестируемом образце. В одном варианте способ идентификации неизвестного микроорганизма включает получение тестируемого образца, который может содержать неизвестный микроорганизм. Затем осуществляют селективный лизис клеток не микроорганизмов с получением лизированного образца. Наносят лизированный образец на плотностный буфер, имеющий гомогенную плотность, в контейнере. Центрифугируют контейнер для отделения неизвестного микроорганизма от других компонентов лизированного образца. При этом указанный микроорганизм проходит через плотностный буфер и образует осадок на дне контейнера. In situ pегистрируют собственную флуоресценцию неизвестного микроорганизма в осадке во фронтальном режиме с получением матрицы возбуждения-испускания (EEM). Идентифицируют до уровня рода, вида и/или штамма неизвестный микроорганизм путем сравнения спектроскопических измерений со снятыми спектроскопическими измерениями известных микроорганизмов. В другом варианте предложен способ идентификации неизвестного микроорганизма из гемокультуры. Преимуществом изобретений является быстрая идентификации микроорганизмов в одном герметичном контейнере, при этом сканирование осадка микроорганизмов во фронтальном режиме повышает процент правильной идентификации микроорганизма. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 13 ил., 10 табл., 10 пр.
Изобретение относится к способу определения меди в природных и питьевых водах. Способ включает концентрирование меди на сорбционном материале, помещенном в патрон, путем пропускания через него анализируемой пробы, элюирование меди азотной кислотой и определение меди методами атомной спектроскопии. При этом концентрирование меди проводят на сшитом N-2-сульфоэтилхитозане со степенью замещения 0.5 со скоростью пропускания пробы через патрон 1.0-2.0 мл/мин. Элюирование осуществляют раствором азотной кислоты с концентрацией 0.1 моль/л. Раствор азотной кислоты пропускают через патрон со скоростью 1.0-2.0 мл/мин. Способ позволяет повысить эффективность концентрирования меди и экспрессность определения меди в природных и питьевых водах. 2 табл., 1 пр.

Изобретение относится к области химического анализа веществ. В способе анализа химического состава материалов, включающем лазерное испарение или абляцию исследуемых образцов, ионизацию продуктов лазерного испарения или абляции исследуемых образцов и детектирование полученных ионов масс-анализатором, используют дополнительно введенную твердую мишень для генерации лазерной плазмы путем воздействия на нее лазерным излучением, а ионизацию продуктов лазерного испарения или абляции образцов осуществляют с использованием полученной лазерной плазмы. Ионизацию продуктов лазерного испарения или абляции образцов ведут в присутствии дополнительно введенного газа-реагента, в качестве которого используются химические соединения, содержащие гидроксильные, или амино-, или сульфгидрильные группы, и осуществляют излучением лазерной плазмы, энергия квантов которого превышает потенциал ионизации продуктов лазерного испарения или газа-реагента. Лазерное испарение осуществляют посредством пространственного сканирования поверхности анализируемого твердого или жидкого образца лазерным лучом, а исследуемый образец размещают с возможностью его перемещения относительно масс-спектрометра и/или лазерного луча. Технический результат - возможность определения широкого класса химических соединений с высокой чувствительностью в реальном времени. 12 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к области аналитической химии элементного анализа и может быть использовано для лазерно-искрового эмиссионного определения лантана, церия, празеодима, неодима в металлических сплавах и порошках. Способ основан на воздействии на поверхность исследуемого образца сфокусированного лазерного излучения с энергией импульса 0,12-0,9 Дж и длительностью импульса 0,02-240 мкс. Проводят анализ свечения лазерной искры, что позволяет выделить спектральные линии паров определяемых элементов и идентифицировать спектральные линии. Для определения каждого из элементов используются экспериментально установленные наиболее чувствительные линии лазерной эмиссии элементов в следующих спектральных диапазонах для: лантана 390-415 нм, церия 400-425 нм, празеодима 410-425 нм, неодима 400-415 нм.
Изобретение относится к аналитической атомной спектрометрии и может быть использовано в спектральном анализе для экспрессного способа определения элементного состава вещества. Способ основан на действии двух последовательных коллинеарных лазерных импульсов, направленных в одну точку поверхности пробы, причем величину межимпульсной задержки выбирают равной времени, для которого при одноимпульсном воздействии на пробу достигается наибольшее соотношение сигнал/шум. Излучение лазерной плазмы после воздействия второго импульса регистрируют с помощью спектрографа и стробируемой электронно-оптической цифровой камеры, а затем по эмиссионным атомным и ионным линиям проводят количественное определение следовых компонентов пробы. Изобретение обеспечивает увеличение чувствительности и экспрессности анализа при взаимодействии двух импульсов лазерного излучения на пробу.

Изобретение относится к медицине, области нанотехнологий, в частности к усилению контраста и глубины зондирования при получении терагерцовых изображений раковых опухолей и патологий кожи с использованием наночастиц и лазерного нагрева. Способ включает введение плазмонно-резонансных композитных наночастиц в зондируемую биоткань и облучение зондируемой биоткани лазерным пучком с длиной волны 700-900 нм, совпадающей с максимумом поглощения наночастиц. Проводят облучение зондируемой биоткани последовательностью импульсов электромагнитных волн терагерцового диапазона, измерение коэффициента отражения электромагнитных волн терагерцового диапазона при пространственном сканировании зондируемой биоткани. При этом перед облучением проводят местную аппликацию путем наложения биологически совместимого агента в жидкой форме, обладающего гиперосмотическими свойствами: глицерина, или полиэтиленгликоля, или пропиленгликоля, или раствора глюкозы или фруктозы в спирте. Облучение лазерным пучком осуществляют в режиме последовательности фемтосекундных импульсов с периодом следования не более 10 нс, синхронизованных с последовательностью импульсов электромагнитных волн терагерцового диапазона так, чтобы в зондируемую область оба импульса приходили одновременно. Часть лазерного пучка для облучения зондируемой биоткани может быть использована для создания последовательности импульсов электромагнитных волн терагерцового диапазона. Способ обеспечивает повышение контрастности и глубины зондирования биообъектов, с пространственным разрешением не менее 100 мкм. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к количественному анализу образцов с помощью лазерно-индуцированной плазмы. Система для классификации движущихся материалов в реальном времени включает в себя генератор лазерных импульсов, выполненный с возможностью создания по меньшей мере первого и второго лазерных импульсов, которые воздействуют на одно и то же место воздействия на движущихся материалах, причем первый и второй лазерные импульсы отстоят во времени на вплоть до 10 микросекунд, и детектор поглощения, выполненный с возможностью получения спектра поглощения в месте воздействия в течение временного интервала обнаружения, составляющего вплоть до 20 наносекунд, после второго лазерного импульса. Изобретение позволяет повысить эффективность классификации. 2 н. и 46 з.п. ф-лы, 3 ил.

Группа изобретений относится к области аналитических исследований и может быть использована в нефтехимической промышленности для качественного и количественного обнаружения полиароматических гетероциклических серосодержащих соединений в нефтепродуктах. Химически модифицированный планарный оптический сенсор содержит последовательно расположенные подложку на основе диэлектрического химически инертного материала, наноструктурированное покрытие толщиной 1-10 мкм на основе наночастиц благородных металлов, размеры которых составляют 20-90 нм, и прозрачную микропористую пленку хитозана, химически модифицированную π-акцепторным соединением, способным распознавать анализируемое вещество и химически связываться с ним путем формирования комплекса с переносом заряда. Также представлены способ получения указанного оптического сенсора и способ анализа полиароматических гетероциклических серосодержащих соединений с использованием данного сенсора. Достигается повышение чувствительности, селективности и экспрессности анализа. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 4 ил., 4 табл.

Изобретение относится к области спектрального анализа и касается способа и устройства атомно-эмиссионного анализа нанообъектов. Способ включает в себя испарение нанообъектов лазерным пучком и анализ нанообъектов по их свечению. Нанообъекты помещают на поверхность прозрачной подложки. На поверхность с нанообъектами изнутри подложки направляют под регулируемым углом, большим угла полного внутреннего отражения, импульс лазерного излучения с энергией, достаточной для хотя бы частичного испарения нанообъектов. Излучение пара подвергают спектральному анализу. Устройство содержит подложку с нанообъектами на поверхности и излучатель. Излучатель обеспечивает интенсивность излучения, достаточную для испарения нанообъектов, причем по обе стороны подложки или с одной ее стороны в потоке свечения нанообъектов установлен спектроанализатор, содержащий коллиматор, который входной апертурой обращен к нанообъектам. Подложка выполнена из материалов, прозрачных для излучения излучателя и которые могут быть прозрачными для собственного излучения нанообъектов. Технический результат заключается в упрощении способа измерений. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.
Наверх