РЕЗОНАНСНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ОПТИКО-АКУСТИЧЕСКИЙ ДЕТЕКТОР Российский патент 2023 года по МПК G01N21/3504 

Изобретение относится к области оптико-акустической спектроскопии.

Лазерная оптико-акустическая спектроскопия (ЛОАС) является одним из наиболее чувствительных методов лазерной абсорбционной спектроскопии, особенно при внутрирезонаторном расположении детектора [1],

Чувствительность ЛОАС существенно зависит от конструкции ячейки оптико-акустического детектора (ОАД). Для нерезонансного ОАД частота модуляции оптической волны находится ниже частот акустического резонанса ячейки. В резонансном ОАД указанные частоты совпадают, и акустический сигнал усиливается кратно добротности акустического резонатора (Q-фактор) [2, 3], Таким образом, высокодобротные ОАД имеют преимущества при детектировании малых концентраций молекулярных компонент в газовых смесях.

Известен газоанализатор (FR 2815122 A1) на основе ОАД [4]. Для повышения чувствительности в патенте предложен резонансный ОАД, который состоит из двух параллельных цилиндрических трубок - акустических резонаторов, соединяющихся между собой капиллярами. Торцы одной из трубок закрыты оптически прозрачными окнами. Когда в ОАД находится исследуемая газовая смесь, в трубку - акустический резонатор через оптически прозрачное окно направляется лазерное излучение с частотой, совпадающей с частотой линии поглощения представляющей интерес молекулярной компоненты, которая, предположительно, находится в исследуемой газовой смеси. Лазерное излучение модулировано по амплитуде с частотой, совпадающей с частотой акустического резонанса ОАД. При этом в ОАД генерируется акустическая волна за счет частично поглощенной энергии лазерного излучения, которая регистрируется микрофонами, расположенными по центру акустических резонаторов. Пример реализации данного ОАД имеет следующие геометрические параметры: длина акустических резонаторов и капилляров - 100 мм, отношение диаметров акустических резонаторов к диаметру капилляров 10 к 1, частота акустического резонанса - 210 Гц. Добротность для указанного ОАД составляет около 6.2 при радиусе акустических резонаторов 10 мм, длине акустических резонаторов 100 мм, радиусе капилляров 1 мм, длине капилляров 20 мм.

Известен газоанализатор (CN 108226050 A) на основе ОАД [5]. Для повышения чувствительности предложен резонансный дифференциальный ОАД, который состоит из двух параллельных цилиндрических трубок- акустических резонаторов. С обеих сторон каждого из резонаторов находятся буферные камеры, попарно соединенные между собой капиллярами. Буферные камеры, соединенные с одним из акустических резонаторов, имеют оптически прозрачные окна, так чтобы через акустический резонатор могло проходить лазерное излучение. Микрофоны расположены по центру акустических резонаторов. В ОАД закачивается исследуемая газовая смесь, в трубку-резонатор через оптически прозрачное окно направляется лазерное излучение с частотой, совпадающей с частотой линии поглощения представляющей интерес молекулярной компоненты, которая, предположительно, находится в исследуемой газовой смеси. Лазерное излучение модулировано по амплитуде с частотой, совпадающей с частотой акустического резонанса ОАД. При этом в ОАД генерируется акустическая волна за счет частично поглощенной энергии лазерного излучения, которая регистрируется микрофонами, расположенными по центру акустических резонаторов. Особенностью технического решения является то, что волны давления воздействуют на микрофоны в противофазе, что позволяет удваивать полезный сигнал и подавлять шум. Пример реализации данного ОАД имеет следующие геометрические параметры: отношение площади сечения буферной камеры к площади сечения акустического резонатора как минимум 5 к 1, отношение диаметра акустического резонатора к длине акустического резонатора как минимум 10 к 1, Добротность для указанного ОАД составляет около 12.6 при радиусе акустических резонаторов 2 мм, радиусе буферных камер 10 мм, длине акустических резонаторов 100 мм, длине буферных камер 20 мм, длине капилляров 40 мм.

В качестве прототипа выбран ОАД (RU 199702 U1) [6]. ОАД состоит из двух параллельных цилиндрических трубок - акустических резонаторов. Концы трубок-резонаторов попарно соединены буферными камерами, внешние торцы которых имеют оптически прозрачные окна. Микрофоны расположены по центру резонаторов. Когда в ОАД находится исследуемая газовая смесь, в трубку-резонатор через оптически прозрачное окно направляется лазерное излучение с частотой, совпадающей с частотой линии поглощения представляющей интерес молекулярной компоненты, которая, предположительно, находится в исследуемой газовой смеси. Лазерное излучение модулировано по амплитуде с частотой, совпадающей с частотой акустического резонанса ОАД. При этом в ОАД генерируется акустическая волна за счет частично поглощенной энергии лазерного излучения, которая регистрируется микрофонами, расположенными по центру трубок. Особенностью технического решения является то, что волны давления воздействуют на микрофоны в противофазе, что позволяет удваивать полезный сигнал и подавлять шум. Геометрические параметры ОАД: D2≥(2D1+t), длина буферных полостей L2 составляет (1-1,5)×D1, где D2 - диаметр буферных камер; D1 - диаметр акустических резонаторов; t - расстояние между резонаторами. Добротность ОАД составляет 52 [7].

Задачей предлагаемого технического решения является повышение чувствительности ОАД путем увеличения его добротности (Q-фактора),

Технический результат в разработанном газоанализаторе достигается за счет того, что он так же, как и прототип, включают два цилиндрических акустических резонатора, соединенных между собой двумя цилиндрическими буферными камерами, оптически прозрачные окна на внешних сторонах буферных камер, расположенных так, чтобы лазерное излечение проходило через один из акустических резонаторов; а также два микрофона, расположенных посередине каждого из акустических резонаторов; отличающееся тем, что расстояние между акустическими резонаторами составляет 4-9 мм, радиус акустических резонаторов составляет 10-24 мм, длина акустических резонаторов составляет 7.5-54 мм, при этом радиус буферных камер превышает радиус акустических резонаторов в 2,22-2.7 раза, а отношение длины буферных камер к длине акустических резонаторов находится в диапазоне 0.46-9.

Изобретение поясняется чертежами.

Фиг. 1. Схематичное изображение ОАД. Обозначения: AP1, АР2 - акустические резонаторы, БК1, БК2 - буферные камеры, О1, О2 - оптически прозрачные окна, M1, М2 - микрофоны, ЛИ - лазерное излучение. Слева представлена проекция ОАД в плоскости YZ, справа в плоскости XY.

Фиг. 2. Пример кольцевой акустической моды. Давление в ОАД распределено таким образом, что в центре одного акустического резонатора достигается максимальное давление (красный), которое выше равновесного, В то время как в другом акустическом резонаторе достигается минимальное давление (синий), которое ниже равновесного Давление в буферных полостях близко к равновесному,

ПРИМЕР РЕАЛИЗАЦИИ

Значения добротности были получены с помощью численных расчетов с использованием следующей методики [8]. Для нахождения частот акустических резонансов ОАД использовалось однородное уравнение Гельмгольца:

где Δ - оператор Лапласа; - Фурье-образ временной зависимости давления в точке, заданной радиус-вектором k - волновое число. Для нахождения функции отклика ОАД на воздействие амплитудно-модулированного лазерного излучения использовалось неоднородное уравнение Гельмгольца [8]:

где γ - показатель адиабаты; - Фурье-образ объемной плотности мощности излучения; ω - частота модуляции излучения; с - скорость звука; i - мнимая единица. Для пучка лазерного излучения с гауссовым профилем имеет вид:

где - коэффициент поглощения; - Фурье-образ интенсивности излучения на входе в ОАД; Р мощность излучения; σ₀ - радиус пучка излучения; х, у - поперечные координаты. Для учета потерь энергии в объеме газа использовалась комплексная поправка к волновому числу в виде коэффициента затухания а [9]:

где - коэффициенты объемной и динамической вязкости, - теплоемкость при постоянном давлении, - коэффициент теплопроводности; - плотность среды. Для учета потерь, связанных с термовязкими эффектами вблизи стенок ОАД использовалось следующее граничное условие [10]:

где - проекция оператора Лапласа на плоскость - толщина вязкого слоя; - толщина теплопроводного слоя.

Стенки ячейки считались идеально гладкими и звуконепроницаемыми, т.е.:

где n - нормаль к поверхности стенки [7].

В расчетах использованы следующие равновесные параметры: давление р₀ = 1 атм и температура Т₀ = 313.15°К. Для решения уравнений (1) и (2) был использован метод конечных элементов. Добротность акустического резонанса Q определялась по формуле:

где - резонансная частота и значение полуширины резонансного профиля, определенное на уровне амплитуды 0,707 от максимальной.

Расчет добротности происходил следующим образом: с помощью уравнения (I) находилась собственная частота ОАД, соответствующая кольцевой акустической моде (см. фиг.2); затем в окрестности данной частоты с шагом 1 Гц решалось уравнение (2); далее с помощью полученного решения был построен резонансный профиль отклика ОАД, по которому, используя уравнение (8), находилось значение добротности Q.

Была рассмотрена следующая базовая конфигурация. ОАД состоял из двух параллельных одинаковых цилиндрических акустических резонаторов, с двух сторон соединенных двумя буферными камерами. Микрофоны расположены по центру акустических резонаторов. Варьируемые параметры представлены в таблице 1.

Пример 1.

Буферные камеры имеют цилиндрическую форму (см. фиг.1).

В результате перебора варьируемых параметров для кольцевых акустических мод, обеспечивающих противофазное воздействие волны на микрофоны (фиг.2), были найдены конфигурации ОАД, представленные в таблице 2, со значениями добротности, превышающими достигнутый технический уровень.

Результаты моделирования показывают, что для увеличения добротности необходимо увеличивать расстояние между акустическими резонаторами, величину отношения их радиуса к радиусу резонатора и длины буфера к длине резонатора. Из таблицы следует, что если расстояние между акустическими резонаторами составляет 4-9 мм, радиус акустических резонаторов составляет 10-24 мм, длина акустических резонаторов составляет 7,5-54 мм, при этом радиус буферных камер превышает радиус акустических резонаторов в 2,22-2,7 раза, а отношение длины буферных камер к длине акустических резонаторов находится в диапазоне 0.46-9, то значение добротности превышает достигнутый технический уровень.

Список литературы.

1. Белов М.Л., Городничев В.А., Федотов Ю.В. Козинцев В.И. Лазерный оптико - акустический анализ многокомпонентных газовых смесей - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. - 352 с.

2. V. Zeninari, R. Vallon, С, Risser, В, Parvitte, "Photoacoustic detection of methane in large concentrations with a Helmholtz sensor: Simulation and experimentation," International Journal of Thermophysics, 37(1), 1-11 (2016).

3. Karapuzikov A.A., Sherstov I.V., Karapuzikov A.I., Shtyrov M.Y., Dukhovnikova N.Y., Zenov K.G., Boyko A.A., Starikova M.K., Tikhonyuk Miroshnichenko LB., Miroshnichenko M.B., Kolker D.B., Myakishev Y.B., Lokonov V.N., Kistenev Y.V., Kuzmin D.A. LaserBreeze gas analyzer for noninvasive diagnostics of air exhaled by patients// Physics of Wave Phenomena, 2014. T. 22, №3, C, 189-196.

4. V. Zeninari, В. Parvitte, D. Courtois, V, Kapitanov, Y. Ponomarev, FR Patent №2815122(12.04.2002), G01N 21/17.

5. S. Jianhai, S. Zhicun, S. Xuhuiw, CN Patent №108226050 (29.06.2018), G01N 21/17, G01N 21/3504.

6. I. V. Sherstov, RU Patent №199 702 (15.09.2020), G01N 27/00.

7. Experimental researches of acoustical modes of various types of resonant photo-acoustic detectors / I. Sherstov, L, Chetvergova // Optics Communications. - 2020, - Vol, 462, - P. 125184-125202.

8. Eigenmode analysis of photoacoustic sensors via finite element method / B. Bautnann [et al.] //Review of Scientific Instruments. - 2006. - Vol.77, is. 4. - P. 044901-044919.

9. Blackstock D.T. Fundamentals of Physical Acoustics / D.T. Blackstock. - New-York: John Wiley & Sons, 2000. - 559 p.

10. Berggren M. Acoustic boundary layers as boundary conditions / M. Berggren, A. Bernland, D. Noreland//Journal of Computational Physics. - 2018. - Vol.371. - P. 633-650.

Изобретение относится к области оптико-акустической спектроскопии. Резонансный дифференциальный оптико-акустический детектор (ОАД) включает два цилиндрических акустических резонатора, соединенных между собой двумя цилиндрическими буферными камерами, оптически прозрачные окна на внешних сторонах буферных камер, расположенных так, чтобы лазерное излечение проходило через один из акустических резонаторов, а также два микрофона, расположенных посередине каждого из акустических резонаторов. Расстояние между акустическими резонаторами составляет 4-9 мм, радиус акустических резонаторов составляет 10-24 мм, длина акустических резонаторов составляет 7,5-54 мм. Радиус буферных камер превышает радиус акустических резонаторов в 2,22-2,7 раза, а отношение длины буферных камер к длине акустических резонаторов находится в диапазоне 0,46-9. Технический результат - повышение чувствительности ОАД путем увеличения его добротности. 3 ил., 2 табл.

Резонансный дифференциальный оптико-акустический детектор, включающий два цилиндрических акустических резонатора, соединенных между собой двумя цилиндрическими буферными камерами, оптически прозрачные окна на внешних сторонах буферных камер, расположенных так, чтобы лазерное излучение проходило через один из акустических резонаторов; а также два микрофона, расположенные посередине каждого из акустических резонаторов; отличающийся тем, что для повышения добротности оптико-акустическою детектора расстояние между акустическими резонаторами составляет 4-9 мм, радиус акустических резонаторов составляет 10-24 мм, длина акустических резонаторов составляет 7,5-54 мм, при этом радиус буферных камер превышает радиус акустических резонаторов в 2,22-2,7 раза, а отношение длины буферных камер к длине акустических резонаторов находится в диапазоне 0,46-9.