Способ определения концентраций молекул в газовых средах Советский патент 1991 года по МПК G01N21/64 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способу определения концентраций молекул в газовых средах, и может быть использовано для исследования газовых сред в технических устройствах.

Цель изобретения - расширение области применимости.

Интенсивность сигнала широкополосной флуоресценции без учета поглощения при мощностях излучения, далеких от насыщения, дается формулой

1фл- Кг10 -П|(у)

где 10 - интенсивность лазерного излучения;

у - координата вдоль направления распространения излучения;

щ(у) - населенность поглощающего 1-го уровня;

Ki - некоторая константа.

С учетом поглощения

00

фл Ki -to -ni(y) c(y) / f(v) exp (о о ел го

00

л

(y)f(v)dy)dv,

- 00

(2)

олосенияасы(D

лучегде с(у) - коэффициент, учитывающий поглощение излучения флуоресценции от объема возбуждения до фотоприемника.

Выбирая две точки так, чтобы концентрации молекул в них и поглощение излучения от объема возбуждения до фотоприемника

совпадали, т.е. n,(yi) п,(у:) и с(уч) - с(у2), получаем

G - фл (Ур

1фл (У2)

rii(y)-const, а с (у|) - с (уг) для двух л симметричных точек.

Используя определение эквивалентной ширины линии (6 стр 24)

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способу определения концентраций молекул в газовых средах, и может быть использовано для исследования газовых сред в технических устройствах. Цель изобретения - увеличение области применимости за счет увеличения чувствительности и возможности локальных измерений в газовых средах. Способ применим во всех видах пламен, при проведении исследований в кюветах и любых других устройствах, где наличие симметрии позволяет выбрать две точки для измерения интенсивности сигналов широкополосной флуоресценции. В способе проводят измерения интенсивности сигналов широкополосной флуоресценции в двух точках, вычисляют их отношение, а определение концентраций осуществляют по этому соотношению с учетом расстояния между точками.

00

У1

/f(v)exp(-J(y)f(dy)dv

-00

/f(v)exp(-,(y)f(v)dy)dv

-00

Данная формула связывает измеряемое отношение с коэффициентом поглощения в центре линии }С0 (у), который связан с концентрацией поглощающих молекул соотношением

Же (у) h п, (у)

(4)

Полная концентрация молекул равна

М(У)

щ(у) ,ДЕ|

Гехр(тг

)

где N - концентрация молекул;

gi - статвес,

Д EI - энергия 1-го уровня,

Т - температура,

Q - статсумма;

И21 - частота перехода,

В12 - коэффициент Энштейна;

f (г - спектральная функция профиля линии;

эе0 - коэффициент поглощения;

а- отношение интенсивностей;

h - постоянная Планка;

С - скорость света;

k- постоянная Больцмана;

у - координата вдоль пучка излучения резонансной частоты

В том случае, если зависимость зе0 (у) известна, возможно по измерениям в двух точках восстановить абсолютные значения концентраций вдоль пучка излучения. Если зависимость эе0 (у) не известна, то возможно либо определение средней концентрации молекул между точками yi и у2 путем предположения о прямоугольном профиле, либо снятие зависимости ct(yi, У2) и по ней восстановление абсолютных значений концентрации вдоль пучка излучения в соответствии с выражением. В способе отсутствует требование о наличии промежутка, не содержащего исследуе- мых молекул. Для большинства практических случаев (плоские пламена, кюветы и т.д.) выражения (3-5) сильно упрощаются. Так, для плоского пламени цилиндрической формы с предварительным смещением

00

Av /(1 - ехр (-#0l)dv ,

о

чл перепишем (3) в виде

(6)

d(0)

)

R- у

(0)

d (9f0 I)

I R +У

(7)

0

5

0 5

0

5

0

5

Здесь R - радиус пламени;

у- координата вдоль направления излучения ( на оси пламени).

Av Поскольку значение д затабулировано(7), в данном случае легко получить по измеренному отношению фл(-у)/1фл(у) значение Жо. По значению #а для каждого вида профиля линии (доплеровский, лорен- цевский, фойхтовский) находится концентрация. В способе достаточно измерить сигнал широкополосной флуоресценции в двух точках. Измерение во второй точке производят перемещая источник исследуемой среды вдоль оси у.

Пример. Определение концентрации молекул ОН в пропанвоздушном пламени горелки Меккера. Используют лазер на красителях 1 с ламповой накачкой типа FL - 3000 Лябда Фазикс с удвоением частоты на кристалле КДР В качестве красителя применяют родамин 6Ж. Лазер настраивают в резонанс с линией Q1 (Я 308,833 нм, gi 10) Длительность импульса -0,5 мкс, энергия в импульсе 0,1 мДж, ширина линии генерации 0,05 нм. Диаметр лазерного пучка в точке фокусировки 0,3 мм. Прошедший через пламя лазерный луч направляют на ФЭУ-87, сигнал с которого, пропорциональный мощности лазерного излучения, поступает на один из входов интегратора. Излучение флуоресценции собирают под углом 90° к . лазерному пучку. В качестве широкополосного фильтра используют монохроматор 5 МЗД-2. Ширину входной щели выставляют 0,04 мм, выходной - 2 мм. Сигнал с ФЭУ-106 направляют на второй вход интегратора и делят на сигнал с ФЭУ-87. Проводят усреднение по 100 импульсам. Для расчетов используют

интенсивности сигналов, измеренных в двух точках, находящихся на расстоянии 0,7 см от центра горелки, которые составляют 0,908 В и 0,478 В. Ввиду осевой симметрии горелки концентрации молекул и поглощение излучения от объема возбуждения до входа фотоприемника совпадают для любых двух точек, находящихся на оси у на равном расстоянии от центра горелки.

Вычисленное отношение измеренных сигналов « 1,90.

Отношение а 1,90 соответствует значение зе 0,90 , следовательно, концентрация составляет 1,4-1016 . Следует отметить локальность данного метода. Зона измерений представляет собой цилиндр диаметром 0,3 мм и длиной 0,04 мм (длина зоны измерений определяется шириной входной щели монохроматора). Интенсивность измеряют только в двух точках. Способ применим во всех видах пламен, при проведении исследований в кюветах и любых других устройствах, где наличие симметрии позволяет выбрать две точки в соответствии с вышеприведенными условиями. Таким образом, способ имеет-болыиую область применимости

Формула изобретения

Способ определения концентрации молекул в газовых средах, включающий формирование пучка излучения с частотой, отвечающей частоте поглощения анализируемых молекул, создание зоны измерений путем фокусирования пучка в область исследуемой среды, измерение посредством фотоприемника двух сигналов широкополосной резонансной флуоресценции молекул, расчет искомой концентрации по

отношению полученных сигналов, отличающийся тем. что, с целью расширения области применимости, в зоне измерений выбирают две точки, которые характеризуются равными величинами относительной

концентрации молекул и совпадающими значениями поглощения флуоресценции на участке от зоны измерения до фотоприемника, проводят измерение флуоресценции в этих точках и учитывают расстояние

между ними при расчете абсолютной концентрации.