Детекторы слабого ИК поглощения в газах: исследование и применения

• Автор: Ковалёв, Александр Анатольевич
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 126 с. : ил.

Содержание
Введение
Глава 1. Оптико-акустическое детектирование с использованием звуковых резонансов.
§1. Использование резонаторов Гельмгольца для подавления фона в оптикоакустических детекторах.
§2. Детекторы на продольных акустических резонансах.
§3. Резонансный оптико-акустический детектор в схеме недисперсионного газоанализатора.
Глава 2. Оптико-акустический детектор для стабилизации С02 лазера по провалу в спектре спонтанного излучения.
Глава 3. Опто-термическое детектирование.
§1. Расчёт чувствительности опто-термического детектора.
§2. Фоновый сигнал детектора. Шум.
§3. Опто-термическое детектирование с подавлением фонового сигнала.
Глава 4. Нелинейная спектроскопия с ОТ детектором.
Глава 5. Увеличение селективности детектирования при использовании ОТ спектроскопии.
Заключение

Введение.
Задача измерения малых и сверхмалых концентраций веществ остаётся актуальной продолжительное время как для научных исследований, так и для практического применения, где на первое место выходят методы, имеющие значительную универсальность, достаточную простоту в построении на их основе аналитической аппаратуры, высокие чувствительность и селективность детектирования, то есть возможность различать вещества со сходными параметрами.
В случае, если исследуемым веществом является молекулярный газ или же твёрдое вещество, выделяющее достаточное количество пара, то можно воспользоваться методами инфракрасной (ИК) спектроскопии, дающими, как правило, необходимые чувствительность и селективность. В случае колебательновращательных спектров сложных молекул чувствительность по относительной концентрации может достигать (0,1 — 1 )ррЬ (1СГ9 объемных частей), но на практике предел регистрации будет определяться фоном от молекулярного окружения [1]. Простейшие устройства ИК спектроскопии базируются на измерении пропускания кювет, одно- и многопроходных, заполненных пробой исследуемой смеси. При этом используются различные варианты компенсации сигнала при ’’нулевом” поглощении в кювете, спектральная модуляция или циклическое сжатие-разрежение пробы газа [2] с регистрацией изменений пропускания, синхронных с выполнением цикла. К недостаткам метода модуляции давления следует отнести необходимость применения приводных устройств значительной мощности (20-100)Вт для обеспечения высокой глубины модуляции замкнутых газовых объёмов даже при небольших (~ ЮГц) частотах. Как разновидность применения метода модуляции давления можно рассматривать устройства с попеременным прерыванием напуска и откачКи пробы из кюветы. Этот вариант имеет принципиально проточный характер, а требования к мощности приводного механизма переносятся на насос.
Предпочтительнее выглядят схемы, в которых сигнал пропорционален поглощению излучения в пробе, а, следовательно, при малых концентрациях регистрируемого вещества пропорционален и его концентрации. В этом случае излучение возбуждает определённую часть пробы, а детектирующее устройство реагирует

на изменение какой-либо характеристики пробы. Интенсивность возбуждающего излучения для регистрации малых концентраций веществ желательно иметь высокую, это естественным образом приводит к лазерным источникам, монохро-матичным и с высокой пространственной когерентностью, но при решении ряда практических задач по регистрации атмосферных примесей вполне могут удовлетворить и нелазерные источники излучения (тепловые, светодиоды и т. п.).
Результатом возбуждения пробы излучением, пригодным для измерения, может быть:
а) изменение колебательной температуры;
б) изменение поступательной температуры;
в) спонтанное излучение из пробы.
Сюда же следует добавить и изменение показателя преломления, редко используемое из-за своей малой величины. Количественно процесс ’’рассасывания” возбуждения для ряда простых молекул СО, НС1,С02, N0 рассмотрен в [3]. Флуоресценцией (Л = 4,3мкм) из возбуждённых объёмов СО2 при низком давлении часто пользуются, например, для стабилизации С02 лазеров [4], для получения информации о столкновениях С02 с буферными газами [5], аналогичным образом изучаются столкновения СЩР с буферными газами [6], .5Т0 [7], М02 [8] и т. д. Наблюдение флуоресценции является зачастую только удобным инструментом, так как основными каналами девозбуждения являются, в зависимости от области давлений, объёмное тушение за счёт столкновений с другими молекулами (высокие давления) и тушение возбуждения на стенках (низкие давления). Так, например, для С02 при давлении 0,1 Тор и диаметре трубки 10 мм распределение по каналам выглядит так: объёмное тушение/излучение/диффузия и тушение на стенках = 5 10~3/3,5 10-2/1. Таким образом, хотя спонтанное излучение и используется для стабилизации С02 лазеров, его доля по энергии уступает доле энергии возбуждения, теряемой на стенках.
В [9] предложен оптотермический (ОТ) детектор, который принципиально может воспринимать энергию из всех трёх каналов, так как основан на регистрации изменения температуры в ячейке, где происходит возбуждение. Датчик температуры помещается между возбуждённым газовым объёмом и стенкой кюветы,

На рис.6 приведены результаты измерений фонового сигнала при смещении детектора в поперечных относительно лазерного луча направлениях. ’’Талия” пучка при этом находится вблизи входного отверстия канала, т» = О, АО!мм. Линия лазера — 9Д(20), V = 1078, бел-1. Уровень интенсивности у стенок ~ 0,0127тах. Для гауссовых крыльев это составляло бы 5,7-10~61тах- Понятно отличие кривых для смещения в разных направлениях: для Ах А Е при приближении к стенкам растёт Е3 компонента в падающем на стенки поле, и рост поглощённой мощности более медленный, чем в противоположном случае. Для Ат X Е вблизи центра канала наблюдается подобие полки, т.е. при смещении в области Ах < 0,5 мм сигнал практически не растёт, это может означать, что мы имеем дело либо с сигналом от очень пологих крыльев, либо от рассеянного излучения.
Показанный на рис.Зв детектор имеет канал прямоугольного сечения 1 х 3мм2, он образован двумя полированными пластинами из ваЛь с прокладками из алюминия толщиной 1 мм. Учитывая прозрачность С а Аз для излучения С02 лазера, можно было рассчитывать на уменьшение фонового сигнала от поглощения излучения внутри канала. На концах канала расположены полости фильтра объёмом 5,15 10_6ж3, объём приоконной полости — 138.млі3, объём центральной полости перед микрофоном 1098жл3. Объём части канала, непосредственно примыкающей к микрофонной полости, составляет 30мм3. На рис.Зг показана соответствующая эквивалентная схема детектора и указаны значения емкостей, индуктивностей и сопротивлений, используемых в дальнейших расчётах. На рис. 7 показаны частотные зависимости откликов детектора на поглощение в смеси пропана с азотом на линии 911(16) при относительной концентрации пропана ~ 2,5 10~3 и отклика на тепловой источник, расположенный на месте окна. Видно,что фильтрация сигнала от источника, расположенного у окна, гораздо слабее, чем для описанной ранее конструкции, подавление происходит в основном за счёт импеданса части канала от входа в полость фильтра до микрофонной полости, к тому же имеется недостаточное совмещение резонансных частот контура фильтра и сигнального контура. Поведение фаз сигналов полностью аналогично предыдущему случаю.
Для измерения фонового сигнала от окна, дальнее окно, второе по ходу луча, заменялось на сапфировую пластинку, дающую 100% -ное поглощение.