Лазерные и оптические спектрометры для разработки и контроля наукоемких технологий : Диагностика газовых, жидких, твердых, ультрадисперсных сред и живых тканей

• Автор: Вовк, Сергей Мирославович
• Шифр специальности: 01.04.01
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Ижевск
• Количество страниц: 54 с. : ил.; 20х15 см

I. Общая характеристика работы
Актуальность темы
Конец второго тысячелетия нашей эры характеризуется все усиливающейся ролью жизнедеятельности человечества в геологических процессах, протекающих на поверхности Земли. В ходе XX века выяснилось не только глобальное влияние человечества на биогеохиминескне процессы на поверхности Земли и конечность некоторых ресурсов, потребляемых человечеством, но и ограничения по их использованию, налагаемые негативными явлениями в биосфере. В настоящее время возникла принципиальная проблема характера использования ресурсов человечеством, которая пришла на смену эйфории овладения ресурсами и знаниями в XIX веке. Такое развитие описанных выше процессов, еще в начале XX века названное В .И. Вернадским “взрывным”, делает основной задачей XXI века сознательное использование природных и искусственных ресурсов, обеспечивающее комфортное существование человечества без нарушения равновесия биосферы. Способом потребления и производства ресурсов являются технологии. Поэтому сознательное использование ресурсов возможно только при помощи оптимизации всей совокупности технологий, используемых человечеством. В отношении технологий в рамках рассматриваемой темы существует следующая градация:
- технологии, не требующие новых научных изысканий;
- технологии, требующие исследований на уровне прикладной науки;
- технологии, требующие исследований на уровне фундаментальной
науки.
Применительно к рассматриваемым вопросам наиболее актуальны последние два уровня. Оценка принадлежности технологий к вышеперечисленным уровням может быть произведена на основании следующих критериев:
1. Критерий фундаментальности.
2. Критерии новизны.
3. Критерий диверсификации.
4. Критерий временных затрат научных работников.
' ЭЮ очередь, проблему оптимизации технологий невозможно решить без .оверной диагностики. Особую роль среди всего многообразия методов котики играют оптические методы. Известно, что в оптическом диапазоне .«жнтся 90% информации об окружающем нас мире, поэтому этого оптика ..- с я одной из самых старых областей науки. Ранее при помощи оптики .-шсь макроскопические характеристики вещества. Однако после открытия ■ ;ого строения материи выяснилось, что микроскопическая информация сдержится в большом объеме в оптическом диапазоне. В настоящее время 'дно, что задача оптимизации технологий требует знания как макро-. щических, так и микроскопических характеристик преобразуемых систем. При

этом значимость применения оптической диагностики не вызывает сомнений. Развитие лазерной техники существенно упростило проектирование систем возбуждения спектров и реализацию дистанционных измерений. 0 1960-х годов началось бурное развитие методов лазерной диагностики и отдельные попытки их прикладного применения. Тем не менее, отсутствовали лаборатории, ориентированные на комплексное применение методов лазерной спектроскопии в технологических' целях. В то же время появился целый ряд задач, требующих нового подхода к диагностике. В том числе: в области ядерных технологий -повышение надежности и ресурса работы конструкционных и оболочечных материалов; для ядерных реакторов с водным теплоносителем - оптимизация водно-химического режима; для ядерных реакторов с газовым теплоносителем -разработка требований к содержанию микропримесей в газовом теплоносителе; в области технологий очистки жидких и газовых сред - увеличение ресурсов работы сорбционных материалов в условиях высоких температур и давлений и агрессивных сред при сохранении сорбционных характеристик; в области медицинье - диагностика патологических процессов в тканях и т.д. Предварительные исследования показали перспективность применения методов лазерной спектроскопии для решения этих задач. Однако технические характеристики лазерных спектрометров к моменту начала работ не позволяли их эффективное использование в вышеуказанных целях.
Целью работы является создание концепции универсальной лазерно-спектроскопической базы, практическая реализация этой базы и ее применение для разработки наукоемких технологий в области ядерной техники, технологий очистки жидких, газовых сред и медицины. Для достижения намеченной цели были поставлены и решены следующие задачи:
- определены функции, реализуемые лазерно-спектроскопической базой;
- выбран состав и определены требования к техническим характеристикам лазерных спектрометров;
- разработаны, изготовлены и запущены в эксплуатацию выбранные лазерные спектрометры;
- проведены экспериментальные исследования характеристик лазерных спектрометров;
- проведен цикл работ по разработке технологий с помощью созданных лазерных спектрометров, в том числе отработка режимов очистки и поддержания качества газового теплоносителя ядерных реакторов, оптимизация состава газового и водного теплоносителя ядерных реакторов с целью минимизации коррозионных отложений, выбор конструкционных материалов для газовых ядерных реакторов, разработка термостойких неорганических сорбентов для ядерных реакторов;
- разработаны специализированные лазерные спектрометры для контроля технологий, в том числе лазерный газоанализатор состава природного газа, лазерный анализатор состава профиля углерода, эмиссионный спектрометр для контроля производства сверхчистых газов криптона и ксенона, лазерно-оптический комплекс для диагностики рака.

4.4. Создание специализированных лазерных и оптических комплексов для различных применений
4.4.1. Лазерный газоанализатор состава природного газа
Анализ состава и параметров природного газа до сих пор остается длительным и сложным процессом. Этот факт стимулирует усовершенствование традиционных и разработку новых методов. Основными особенностями анализа природного газа являются:
1. Большое количество компонент, предъявляющих повышенные требования к селективности.
2. Значительные объемы с неоднородностями при его транспортировке, требующие для выполнения критерия представительности пробы, либо большого объема измеряемого газа, либо большого числа измерений.
3. Сильная зависимость служебных свойств природного газа от состава, диктующая довольно жесткие требования к точности и связанной с ней воспроизводимости.
4. Требуемая высокая чувствительность в пределах 1 Оррт; однако некоторые важные компоненты содержатся и в более малых количествах.
5. Различие концентраций компонент на пять-шесть порядков, обуславливающее различие в динамическом диапазоне анализа на столько же порядков.
Эго краткое перечисление показывает, что, несмотря на отсутствие предельных требований по каждой позиции, анализ природного газа характеризуется одновременно высокими требованиями по нескольким критериям. Эти особенности присущи сложным газоаналитическим задачам. В настоящее время для этих целей, в основном, применяются хроматографы, которые, несмотря на существенный прогресс, не лишены недостатков, в первую очередь, относительно представительности пробы, селективности и достоверности. Нами в течение длительного промежутка времени разрабатываются методики газоанализа и их приборная реализация на основе спектроскопии комбинационного рассеяния света. Этот метод имеет следующие преимущества: универсальность, простота калибровки и возможность измерений непосредственно при высоких температурах и давлениях. Предварительные эксперименты показали возможность регистрации спектров КР природного газа. Однако применение этого метода в технологических целях до сих пор ограничено ввиду сложной приборной реализации. В то же время, быстрое развитие лазерной, оптической и электронной техники позволяет создать малогабаритный прибор с необходимыми метрологическими характеристиками. Был разработан экспериментальный поточный газоанализатор для анализа состава природного газа со следующими параметрами: чувствительность до 1 ррш, рабочий диапазон давлений до200 атм, сходимость лучше 1 %. Широкий спектр регистрируемых компонент, включая воду, тяжелые углеводороды, соединения серы и т.д. На рисунке 4.4.1.1 показана структурная схема прибора, а на рисунках 4.4.1.2 и 4.4.1.3 приведены образцы спектров, полученных при анализе