Лазерный спектрофон Советский патент 1984 года по МПК G01N21/37 

ьоо

СХ)

п 4

to Изобретение относится v. технике анализа газов методами лазерной абсорбционной спектроскопии и может быть использовано для исследования слабопоглощающих газовых сред, например, для изучения запрещенных пе реходов или горячих полос поглощения, а также для детектирования микропримесей в газах в задачах био логии, медицины, химии, охраны окружающей среды и т.п. Известны оптико-акустические газоанализаторы, принцип действия которых оснбван на измеренир поглощен ной энергии резонансного излучения в газах путем регистрации ВОЗНИКАЮЩИХ акустических колебаний СИ Возникновение этих колебаний объясняется преобразованием части поглощенной энергии в результате безизлучательной релаксации в тепло вую энергию среды. Использование ла зерного излучения высокой мсщности позволяет существенно повысить чувс вительность оптико-акустических газоанализаторов и применять их для детектирования следовых количеств примесей в газах. Наиболее близким к изобретению по технической сущности является ла зерный спектрофон, содержащий лазер и измерительную камеру, выполненную из металла с оптическими торцовыми окнами,в измерительной камере находится исследуемьвй газ. При пропуска НИИ резонансного лазерного излучения в измерительной ячейке формирую ся акустические колебания, KOTOiMite регистрируются микрофоном и ксируются в блоке регистрации 123. Недостатком известного устройств являются его высокие пределы обнаружения концентрации анализируемых веществ, ограничиваемые фоновыми акустическими колебаниями, обусловь ленными поглощением лазерного излучения на стенках измерительной ячейки. Целью изобретения является сниже ние пределов обнаружения анализируе мых. примесей в веществе. Поставленная цель достигается те что в лазерном спектрофоне, содер жаощм лазер и измерительную камеру, выполненную из металла, с оптическими торцовыми окиами и встроенным Ю1КРОФОНОМ, соединенным с блоком ре гистрации, на боковые стенки камеры последовательно нанесены слой поглощающего излучение лазера материала и слой оптически прозрачного для из лучения материала с толщиной, не менее чем в три раза превышающей длину тепловой диффузии в этом материале. На чертеже схематически представь лено предлагаемое устройство. Устройство содержит лазер I, измерительную камеру 2, стенки 3 камеры, оптические окна 4, черненный слой 5, оптнческое покрытие.6, микрофон 7, микрофон 8. Устройство работает следующим образом. Излучение от лазера 1 пропускается через измерительную камеру 2 с исследуемым газом сквозь оптические окна 4. Часть мощности лазерного излучения поглощается газом и в результате безизлучательных переходов в камере 2 формируются акустические колебания, которые регистрируются ьшкрофоном 7. Часть излучения попадает на стенки камеры. Причиной этого являются дифракционные эффекты на входных элементах устройства, рассеяние и отражение излучения в окнах камеры, а также касание стенок камеры крыльями лазерного пучка, имеющего обычно в поперечном сечении гауссов профиль. Попадание излучения на стенки камеры вызывает их нагрев, который передается соприкасакицейся со стенкой средеi Если этой средой является газ, то в нем возникают акустнческие колебания, которые и являются фоновыми. Для их исключения металлические стенки 3 камеры 2 покрыты слоем оптически прозрачного материала 6. При наличии такого слоя излучение беспрепятственно попадает сквозь него на стенки каме1ш, где и поглощается. Однако выделившееся тепло на поверхности с-венок передается не газу, а соприкасающемуся с ним оптическому материалу. Благодаря малой величине тепловой диффузии в этом материале по .сравнению с газом тепло относительно медленно распространяется по этому материалу и при достаточной толщине последнего тепловая волна полностью затухает и не доходит до газа. Для практически полного подавлеиия тепловой волны толщина стенки должна не менее, чем в три раза превьппать длину тепловой Диффузии. При этом условии амплитуда тепловой волиы уменьшается не менее чем на два порядка, что вполне достаточно при решении большинства практических задач. В силу большой величины коэффициента отражения от металлов часть падающего на стенки излучения отражается обратно в KaiMepy и вновь участвует в образовании фоновых сигналов. Для исключения этого предлагается зачернить стенки для поглощения на них большей части падакяцего излучения.

Таким образом, за.счет введения . дополнительного слоя оптического материала и чернения поверхности стенок удается подавить фоновые сигналы не менее чем на два порядка и понизить тем самым пределы обнаружения молекул в анализируемом веществе лазерного спектрофона. При работе в видимой области спектра в качестве оптического материала можно использовать обычное стекло или кварц. При работе в инфракрасной области вполне пригодны такие достаточно распространенные материалы, как LiF, GaFj ZnSe, Ge, тефлон и др.

Конструктивно слой оптического материала на поверхность стенок можно нанести в виде отдельных небольших пластинок, пристыкованных друг к другу или же в виде цельной конструкции, совпадающей с геометрией камеры. Например, в случае цилиндрической камеры слой оптическог,о материала вьшолняется в виде цилиндра, внешний диаметр которого совпадает с диаметром камеры. Требуемая толщина оптического слоя в большинстве типичных задач колеблется в пределах от нескольких десятых до 1,52 мм. При использовании тефлона нанести его на поверхность стенок можно и виде порошка с последующим его расплавлением.

Предварительные испытания показывают высокую эффективность предлагаемого устройства в увеличении пороговой чувствительности спектрофона за счет подавления фоновых сигналов от поглощения излучения стенками измерительной камеры. Особенно перспективно использование изобретения в задачах, где требуется использовать, спектрофон с наименьшим внутренним диаметром, например, при применении его в качестве хроматографического датчика.

ЛАЗЕРНЫЙ СПЕКТРОФОН, содержащий лазер и измерительную камеру, выполненную из металла, с оптическими торцовыми окнами и встроенным микрофоном, соединенным с блоком регистрации, отличающийся тем, что, с целью снижения пределов обнаружения анализируемых примесей в веществе, на боковые стенки камеры последовательно , нанесены слой поглощающего излучечение лазера материала и слой оптически прозрачного для излучения материала с толщиной, не менее чем в три раза превьшающей длину тепловой диффузии в зтом материале.