КР-газоанализатор с повышенным спектральным разрешением Российский патент 2025 года по МПК G01N21/65 G01J3/44 

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к устройствам, позволяющим проводить качественный и количественный анализ состава многокомпонентных газовых сред.

Среди разнообразных методов газоанализа перспективными на сегодняшний день являются устройства, основанные на спектроскопии комбинационного рассеяния (КР) света. КР-газоанализаторы обладают такими преимуществами как высокая скорость анализа, отсутствие расходных материалов и сложной пробоподготовки, а также возможность контроля одновременно всех молекулярных компонентов с помощью одного лазера. Суть используемого оптического явления заключается в рассеянии возбуждающего лазерного излучения молекулами среды на частотах, соответствующих их внутреннему строению, при этом интенсивности рассеянных сигналов линейно зависят как от концентрации соответствующих молекул, так и от интенсивности лазерного излучения. Необходимо учитывать, что лазерный источник является одним из ключевых компонентов КР-газоанализатора. Принимая во внимание текущий уровень развития лазерной техники, для создания компактных и недорогих устройств целесообразно использовать полупроводниковые лазеры. Однако такие источники излучения обладают сравнительно большой спектральной шириной линии генерации. Это приводит к значительному уширению линий в регистрируемых спектрах КР и ухудшению разрешения. Как следствие, это приводит к снижению точности определения концентраций, поскольку снижается точность определения интенсивности близкорасположенных характеристических колебательных полос газовых компонентов в случае их взаимного перекрытия. Таким образом, уменьшение спектральной ширины лазерной линии приведет к повышению достоверности проводимого газоанализа.

Известен анализатор состава газа, основанный на спектроскопии КР [Патент РФ №126136, 2013, G01N 21/00, G01N 21/65]. Он содержит твердотельный лазер с длиной волны 532 нм, работающий в непрерывном режиме, фокусирующую линзу, газовую кювету, объектив для сбора рассеянного излучения со светосилой 1:1.8, голографический фильтр, полихроматор, ПЗС матрицу, блок управления и ЭВМ. Его основным недостатком является использование твердотельного лазера. Это приводит к сравнительно высокой стоимости газоанализатора и большим габаритам, что снижает рыночную привлекательность таких устройств.

Наиболее близким по принципу действия к патентуемому устройству является устройство для газоанализа основанное на спектроскопии КР [Патент ЕР 3748339, 2020, G01N 21/65, G01J 3/44, G01N 21/03]. Оно имеет в своем составе многомодовый полупроводниковый лазер, светоделительную пластину, газовую кювету, линзу, ловушку лазерного излучения, систему сбора рассеянного света, состоящую из двух линз, между которыми установлен светофильтр, ослабляющий излучение на длине волны лазера, и спектрограф, оснащенный фотодетектором. За счет использования полупроводникового лазера, данное устройство свободно от недостатков аналога, описанного выше. Основным недостатком данного газоанализатора является низкое спектральное разрешение, обусловленное использованием многомодового полупроводникового лазера без дополнительного оборудования для сужения спектральной ширины излучения. Это приводит к снижению точности определения концентраций.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является улучшение спектрального разрешения за счет уменьшения спектральной ширины линии генерации лазера.

Технический результат повышение точности и достоверности проводимого газоанализа.

Указанный результат достигается тем, что в устройстве, содержащем полупроводниковый лазер, газовую кювету, ловушку лазерного излучения, систему, состоящую из двух линзовых объективов, светофильтр, ослабляющий излучение в области длины волны лазера, спектральный прибор оснащенный многоканальным фотодетектором, на оптической оси лазерного излучения дополнительно установлены расположенные последовательно эталон Фабри-Перо и плоское зеркало, таким образом, чтобы лазерное излучение, отраженное от зеркала, направлялось вдоль оптической оси внутрь лазера, а отраженное от эталона Фабри-Перо направлялось не назад в лазер, а внутрь газовой кюветы.

Эталон Фабри-Перо является достаточно узкополосным фильтром, спектральные характеристики которого зависят от расстояния между установленными внутри зеркалами и их коэффициентов отражения. За счет этого, его установка на пути лазерного излучения позволяет получить линию с меньшей спектральной шириной. Однако в этом случае имеют место значительные потери мощности. Для устранения данного недостатка в предлагаемом устройстве после эталона Фабри-Перо установлено плоское зеркало, которое отражает уже отфильтрованное излучение назад в лазер. Это позволяет обеспечить обратную связь, которая приводит к тому, что за счет процессов вынужденного излучения внутри активной среды лазера, он начинает генерировать излучение аналогичное тому, которое на него направлено. Таким образом, использование эталона Фабри-Перо и зеркала позволяет получить спектрально более узкое излучение без существенной потери мощности. Для того, чтобы данное излучение направлялось в газовую кювету для возбуждения КР, эталон Фабри-Перо устанавливается под углом к оптической оси. За счет отражения от ближней к лазеру поверхности эталона доли излучения, оно направляется в кювету и является источником возбуждения КР.

На фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемого устройства. КР - газоанализатор с повышенным спектральным разрешением содержит полупроводниковый лазер 1, эталон Фабри-Перо 2, плоское зеркало 3, линзу 4, ловушку лазерного излучения 5, газовую кювету 6, два линзовых объектива 7 и 9, светофильтр 8, ослабляющий излучение в области длины волны лазера, спектральный прибор 10 и многоканальный фотодетектор 11.

Предлагаемый КР-газоанализатор работает следующим образом. Излучение от полупроводникового лазера 1 направляется сквозь эталон Фабри-Перо 2 на плоское зеркало 3, которое установлено таким образом, чтобы отраженное от него излучение вдоль оптической оси лазера направлялось назад в лазер и обеспечивалась обратная связь. Излучение, отраженное от эталона, установленного под углом к оптической оси лазера, фокусируется линзой 4 в центре кюветы 6 и поглощается ловушкой 5. Сбор рассеянного света ведется с помощью линзового объектива 7, оптическая ось которого ортогональна оси лазерного луча внутри кюветы. Сформированный пучок рассеянного света проходит через светофильтр 8, который ослабляет излучение на длине волны лазера, и фокусируется линзовым объективом 9 на входную щель спектрального прибора 10. Итоговый спектр регистрируется многоканальным фотодетектором 11.

На фиг. 2 приведены спектры КР образца атмосферного воздуха полученные при различных спектральных разрешениях (10 см^-1 и 100 см^-1). Можно видеть, что при низком разрешении (100 см^-1) интенсивность полос CO₂ определить на фоне полосы O₂ крайне трудно. Таким образом, погрешность вычисления концентрации CO₂ будет очень высокой. В свою очередь, при разрешении 10 см^-1, которое может быть обеспечено за счет использования возбуждающего лазерного излучения с меньшей спектральной шириной, эта проблема отсутствует и погрешность вычисления концентрации CO₂ будет значительно ниже. На улучшение спектрального разрешения (что в конечном счете приводит к повышению достоверности проводимого газоанализа) по сравнению с прототипом и направлено предлагаемое устройство.

ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ

1. Патент 126136, Российская Федерация, МПК G01N 21/00. Анализ состава природного газа / М.Л. Булдаков, В.Л. Корольков, И.И. Матросов, Д.В. Петров // заявитель и патентообладатель ФГБУ Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН. Заявка №2012146674/28; заявл. 01.11.2012; опубл. 20.03.2013, Бюл. изобретений.

2. Patent HP 3748339 A2, Int. Cl. G01N 21/65, G01J 3/44, G01N 21/03. DEVICE FOR GAS ANALYSIS USING RAMAN SPECTROSCOPY / G. Tondello, L. Cocola, L. Poletto // Pictro Fiorcntini S.p.A. Aplication number: 20175034.6; Date of fil. 15.05.2020; Date of pub. 09.12.2020.

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к устройствам, позволяющим проводить качественный и количественный анализ состава многокомпонентных газовых сред. КР-газоанализатор с повышенным спектральным разрешением содержит полупроводниковый лазер, линзу, газовую кювету, два линзовых объектива, светофильтр, спектральный прибор, оснащенный многоканальным фотодетектором. На оптической оси лазерного излучения дополнительно установлены расположенные последовательно эталон Фабри-Перо и плоское зеркало таким образом, чтобы лазерное излучение, отраженное от зеркала, направлялось вдоль оптической оси внутрь лазера. Отраженное излучение от эталона Фабри-Перо направлялось не назад в лазер, а внутрь газовой кюветы. Технический результат заключается в повышении точности и достоверности проводимого газоанализа. 2 ил.

КР-газоанализатор с повышенным спектральным разрешением, содержащий полупроводниковый лазер, линзу, газовую кювету, два линзовых объектива, светофильтр, спектральный прибор, оснащенный многоканальным фотодетектором, отличающийся тем, что на оптической оси лазерного излучения дополнительно установлены расположенные последовательно эталон Фабри-Перо и плоское зеркало таким образом, чтобы лазерное излучение, отраженное от зеркала, направлялось вдоль оптической оси внутрь лазера, а отраженное от эталона Фабри-Перо направлялось не назад в лазер, а внутрь газовой кюветы.