Способ измерения фоновых концентраций молекулярного водорода и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК G01N21/39 

2, Устройство для измерения фоновых концентраций молекулярного водорода , содержащее два лазера, спектрог граф, два ФЭУ, блок вывода информации, отличающееся тем, что оно д«поянительно содержит генератор строб-импульса, блок задержки стробимпульса, блок управления длиной волны излучения второго лазера, два фотодатчика, автоколлиматор, четыре преоб разоваталя импульсного напряжения, блок математической обработки и блок ввода программ, при этом оба лазера оптически связаны между собой и каждый из них оптически связан с соответствующим фотодатмиком, а автоколлиматор оптически сопряжен со спектрографом, выход блока математической обработми соединен с блоком вывода информации. а входы соединены соответственно с блоком ввода программ, блоком задержки строб-импульса, выходом блока управле длиной волны излучения второго лазера и выходами преобразователей импульсного напряжения, входы которых соединены с выходом блока задержки строб-импульса, причем другие входы : преобразователей импульсного напряжения попарно соединены с фотодатчиками и ФЭУ, а входов блока задержки строб-импульса соединен с выходом ге нератора строб-импульса, оптически связанного с первым лазером, а другойс одним из выходов блока управления длиной волны излучения второго лазера, второй выход которого соединен с вторым лазером с

1, Способ измерения фоновых концентрзций молекулярного водорода, включающий облучение объема среды лазерным излучением на частотах и, и СО, разность которых совпадает с частотой вращательных колебаний молекулярного водорода, и регистрацию рассеянного излучения на тех же частотах, отличающийся тем, что, с целью обеспечения дистанционной регистрации водорода в реальной атмосфере и повышения экспрессности, допоЛнительно облучают среду излучением на частоте Q с изменением задержки строб-импульса на время прохождения излучения через исследуемый объем, изменяют частоту излучения

Изобретение относится к области спектроскопии газов и атмосферной оптики и может быть использовано в частности ДЛИ измерения содержания молекуjwipHoro водорода в аодах и приповерхностной атмосфере.

Известен способ регистрации фоно-. вых концентраций водорода в воде, зак4ючаШ1ийся в изелеменим газов, рдстворенных в воде, с помощью камеры с пониженным давлением, после чего полученная проба газа пропускаетсй через хроматографимеекую колонку и поступает в твердоэлектролитную ячейку, чувствительнуя) только -к двум компонентам смеси газов: водороду и кислороду, Последний отделяется в хроматогрзфической колонке,, Приращение тока в цепи ячейки фиксируется пишущим вольтметром.

Способ реализуется с помощью устройства, состоящего из манометра электронного блока, форвакуумного насоса, баллона со сжатым аргоном, дозатора, хроматографической колонки, .колонки для извлечения газов из воды, устройства забора воды, датчика, нагрузочного резистора, пишущего вольтметра, источника тока, водяного насоса.

Время аналиаа определяется временем извлечения газов из воды и временем накопления водорода и составляет 3-5 мин.

Ошибка способа вследствие его многостадийности составляет 20-30.

Способ позволяет измерять концентацию водорода в воде на уровне ., но недостаточно зкспрессен

и не обеспечивает дистанционной регистрации водорода в реальной атмосфере

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ измерения концентрации молекулярного водорода, включающий облучение объема среды лазерным излучением на частотах (D, и COj разность которых совпадает с частотой вращательных

колебаний молекулярного водорода, и регистрацию рассеянного излучения на тех же частотах.

Способ состоит в пространственном совмещении в кювете с исследуемым ее

ществом двух лазерных пучков с частотами С0,,л такими, что СО,- (Ое р где QO частота комбинационно-акт 1Вного колебания излучаемых молекул. Вследствие нелинейно-оптических взаимодействий волн с частотами Q, на кубической нелинейности комбинационного типа (в центросимметричной среде), при амплитудной модуляции с частотой QO одной из волн (например. частоты d} ) , амплитуды другой волны также испытывает модуляцию с частотой СОо , величины которой о определяется по формуле: k. i6JrVN |uUa)nni--n)r)V где с - скорость- света; N - плот,Л - сечение Кл изуность молекул; ,мых молекул; 1 - длина взаимодейст ВИЯ лучей с частотами Сх),, COg-, h - пос . тоянная Планка; п - показатель преломления среды на частоте W фактор, учитывающий разность населенностей исследуемых уровней при Т 300 К); Г - ширина резонанса; Р, Рг мощности волн с частотами СО,, СОг т.е. величина амплитудной модуляции пропорциональна числу частиц N, длине взаимодействия 1, мощности f, силе линии Кр Регистрация осуществляется путем синхронного детектирования на частоте СО излучения с частотой Q выделенного спектральным прибором. . Способ реализуется с помощью устройства, содержащего два лазера, спектрограф, два фотоэлектронных умножителя (ФЭУ), блок вывода информации. Излучение лазеров пространственно совмещается в кювете, при этом ампли. туда излучения первого лазера модулируется модулятором, частота модуляции задается генератором Оптическое излу чение ч.астоты Ci)i2 второго лазера выделяется спектрографом, регистрирует;СЯ, и после усиления поступает на вхо синхронного детектора, выделяющего составляющую, соответствующую частоте модуляции СОд амплитуды первого лазера, амплитуда синхронного детектиро. ванного сигнала поступает на блок вывода информации. К недостаткам известного технического решения следует отнести невозмож ность его использования при дистанционных измерениях, так как исследуемый рбъем должен находиться между источником и приемником излучения, а также ограниченная чувствительность спо соба при детектировании малых примесей, в особенности при определении фоновых концентраций водорода. 1 4 Целью изобретения является обеспечение дистанционной регистрации фоновых концентраций водорода в реальной атмосфере и повышение экспрессности измерений. Указанная цель достигается тем, что в способе регистрации фоновых концентраций молекулярного водорода,включающем облучение объема среды лазерным излучением на частотах СО, и СО, разность которых совпадает с частстой вращательных колебаний молекулярного водорода, и регистрацию рассеянного излучения на тех же частотах, дополнительно облучают среду излучением на частоте (О, с изменением задержки строб-импульса на время прохождения излучения через исследуемый объем, изменяют частоту излучения Wg скачкообразно до получения нерезонансного рассеяния, регистрируют полученные интенсивности и определяют величину ОНОВОЙ концентрации водорода по фор„ , D2 Л Г Г t , ,At DipJ Т « DlpA- Ар) J fiwj nz (1+nl r.Y 7,.2 TdJ . 16.С Y - коэффициент, связываю1чий мощность излучения первого лазера с амплитудой отклика фотодатчика; а - постоянная Г1ланка; COg- круговая частота излучения второго лазера; П-- показатель преломления среды на длине волны второго лазера; Г - ширина линии излучения вто рого лазера; 1+п - фактор, учитывающий разность населенностей; . -гд- - сечение рассеяния Кр для водорода; 1 - длина взаимодействия лучей; N - концентрация молекул водорода; амплитуда импульса с ФЭУ на длине волны первого лазера; .амплитуда импульса с ФЭУ на длине волны второго лазера; D, - амплитуда импульса с фотодатчика на длине волны первого лазера;

D - амплитуда импульса с фотодатчика на длине волны второго лазера;

,

Г) jDjp- аналогичные величины в резо Рнансном случае; t - время задержки строб-импульса;дС - изменение времени задержки

. . строб-импульса. Способ может быть осуществлен устройством, содержащим два лазера, спектрограф, два ФЭУ, блок выврда информации, в который дополнительно введены генератор строб-импульса, блок задержки строб-импульса, блок управления длиной волны излучения второго лазера, два фотодатчика, автоколлиматор, четыре преобразователя импульсного напряжения, блок математической обработки и блок ввода программ, при этом оба лазера оптически связаны между собой и каждый из них оптически

связан с соответствующим фотодатчиком, 25 зерных лучей. а автоколлиматор оптически сопряжен со спектрографом, выход блока математической обработки соединен с блоком вывода информации, а входы соединены соответственно с блоком ввода прог- рамм, блоком задержки строб-импульса, выходом блока управления длиной волны f злyчeния второго лазера и выходами преобразователей импульсного напряжения, входы которых соединены с выходом блока задержки стррб-импульса, причем другие входы преобразователей импульсного напряжения попарно соединены с фотодатчиками и ФЭУ, а один из входов блока задержки строб-импуль са соединен с выходом генератора i строб-импульса, оптически связанного с первым лазером, а второй - с одним из выходов блока управления длиной волны излучения второго лазера, второй выход которого соединен со вторым

лазером.

На чертеже представлена принципиальная схема устройства о Оно состоит из йазера 1, например импульсного на Nd YAGl (частота повторения импульсов до 50 Гц), вторая гармоника которого ( 1( 532 нм) имеет мощность Р 10Вт, длительность импульса t 10 НС, лазера 2 на красителе родамин 6Ш PI 500 кВт, ширина линии генерации U,01 , амплитудная нестабильность A-U,5 блока 3 управления частотой лазера 2, двух фотодатмиков i,, 2 (выполненных, например.

в виде фотодиодов или лавинных фотодиодов), двух ФЭУ 5о1, 5-2, автоколлиматора 6, спектрографа 7, четырех стробируемых преобразователей 8.1, 8,2, , 8, импульсного напряжения . в постоянное, генератора Э строб-импульса, блока 10 задержек стробирующих импульсов, блока 11 математической обработки сигналов, блока 12 ввода программ обработки и блока 13 вывода информации в реальном масштабе времени,

Устройство работает следующим обизлучение на длине волны лазера 1. Времл задержки выбирается таким, что в случае точного резонанса время задержки должно точно соответствовать

50 времени прохождения светового сигнала от зоны пересечения лучей лазеров до ФЭУ, а в случае отсройки это время отличается на некоторую величину t, причем величину ut легко оценить из

55 следующих соображений. Время задержки t определяет местоположение зоны, рассеянный свет из которой подвергается анализу. Изменение этого времени необходимо для определения коэффициента разом. Варьируя угол между лучами с частотами СО и Gkij совмещают их в объеме, намеченном для анализа. При этом в блоке 10 задержки стробирующих импульсов устанавливают задержку стробиругадего импульса, поступающего на преобразователи 8оЗ, 8.Ч, подключенные к ФЭУ и , соответствующую расстоянию до области пересечения лаЧастота 03 лазера 2 изменяется при помощи блока 3 управления частотой скачкообразно, причем, если в одном импульсе условие СО) - ОЗг йр , Д р вращательная линия комбинационного рассеяния водорода, выполняется точно, то в следующем импульсе расстройка от этого резонанса должна быть такова, чтобы имел место нерезонансный случай; Для типичных значений ширины резонансных линий молекулярного водорода Г : 0,01 и типичных значений ширины спектра выходного излучения лазера 2 на красителе Гк.0,01 см (&ИДНО, что вполне достаточна отстройка на одну ширину линии генерации лазера. Блок управляет также и временем i задержки стробирующего импульса, поступающего на преобразователь 6.3, соединенный с ФЭУ 5.1, регистрирующим поглощения излучения лазера 1, т.е. величина fit должна быть наименьшей для того, чтобы можно было пренебречь локальными изменениями коэффициента поглощения. В реальных условиях можно принять величину равной длительности стробирующего импульса. Сигналы со всех преобразователей S.I-S.t с блока 10 временных задержек и с блока 3 управления частотой подаются в блок 11 математической обработки, в качестве которого можно использовать микро-ЭВМ. Величины Р и Р представляют собой мощности лазерных пучков в зоне пересечения, поэто-г му необходимо знать все потери энергии лазерного излучения на пути от из лучателя до места пересечения и обратно. Для этого предусмотрено переключение времени задержки стробирующего импульса и частоты лазерного излучения . В эксперименте известны ;амплитуды электрических Импульсов, поступающих с датчиков.:Обозначим: А - амплитуда импульса с первого ФЭУ регистрирующего излумения на длине волны лазера 1; А е амплитуда импульсов со Ф9У, регистрирующего излучения на длине волны лазера 2 D - амплитуда импульса фотодатчика 4.1 лазера 1; Dj. - амплитуда импульса с фотодатчика t. 2 лазера 2. В случае резонанса -к этим обозначениям добавляется индекс р. 10 В блоке математической обработки происходит обработка сигналов по программе, реализующей следующую формулу; «4fi- г Dap A 2 J ( ut DI A,pJ rj где К - некоторая постоянная величиV на, определяемая из формулы: с ) nJ(H-n)FY)/(l6ir K(tiCO de Y - коэффициент, связывающий мощность излучения лазера 1 с амплитудой отклика фотодатчика, который находится по измерениям. Для увеличения томности измерения концентрации водорода применяется усреднение результатов по нескольким импульсам. Применение изобретения, его новой методики дистанционной регистрации с использованием нового устройства позBoimer получить/Экспрессную и томную . информацию о фоновом содержании концентрации водорода в атмосфере. Экс п|юссность способа гн евышает экспрессность ныне применяемых способов более чем на два порядка мто, в свою очередь,: опреде/мет высокое пространственное разрешение способа, позволяющее наб1гщдать пятнистую структуру распределения водорода над поверхностью Земли и в природных водах в натурных экспериментах.

NJ

«о

17

«Nl

yi2)

ь

.

00 «ха