Источники зондирующего излучения

В качестве источников зондирующего излучения используются газоразрядные, тепловые и когерентные. По характеру излучения их можно разделить на источники сплошного, линейчатого и монохроматического излучения в УФ -, видимом и ИК -спектральном диапазонах.

Тепловые источники характеризуются сплошным спектром излучения в ИК диапазоне, высокой стабильностью излучаемой мощности, малым потреблением энергии и большими сроками эксплуатации.

Газоразрядные источники характеризуются линейчатым спектром излучения в УФ -, видимом и ближнем ИК - диапазоне длин волн, а также сплошным спектром в УФ-области спектра.

Монохроматические источники - оптические квантовые генераторы, излучающие отдельные линии в видимой и ИК - областях спектра в режиме импульсной или непрерывной генерации. Источники такого типа позволяют перестраивать частоту излучения либо непрерывно в некотором диапазоне длин волн, либо дискретно на нескольких фиксированных частотах.

Применяется также специфический источник излучения – СВЧ - генератор (клистроне) с частотой 10-25 ГГц, который используется в некоторых специфических газоаналитических задачах.

Таким образом, применяемые в абсорбционных газоанализаторах источники зондирующего излучения охватывают широкую область спектра. Наиболее перспективно применение диодных полупроводниковых лазеров, позволяющих сканировать узкую линию излучения в сравнительно большом диапазоне длин волн и генерирующих в области спектра, перекрывающей колебательно-вращательные полосы поглощения большинства газообразных молекул. Эти характеристики источника зондирующего излучения обеспечивают хорошую основу для достижения высокой селективности и универсальности газоаналитических методик.

Приемники излучения.

Используемые в абсорбционных газоанализаторах приемники лучистой энергии можно разделить на две группы: тепловые и фотоэлектрические.

Тепловые приемники служат для детектирования излучения в ИК - области спектра (<30мкм). К этой группе приемников относятся термоэлементы, а также болометры, представляющие собой сопротивления с большим температурным коэффициентом сопротивления. Тепловые приемники малоэффективны при измерении малых изменений мощности зондирующего излучения и обладают относительно большой инерционностью. В качестве положительных свойств можно указать на слабую зависимость чувствительности от длины волны регистрируемого излучения в рабочем диапазоне и удобство в эксплуатации.

Фотоэлектрические приемники используют для детектирования излучения в УФ -, видимой и ИК- (до 14 мкм) областях спектра.

Следует отметить, что все рассмотренные приемники являются неселективными и за исключением тепловых обладают заметной зависимостью чувствительности от длины волны регистрируемого излучения.

Кюветы с анализируемой газовой смесью имеют размеры от 1 до 500 см и часто конструируются таким образом, что обеспечивают многократное прохождение зондирующего излучения через анализируемый газ. За счет этого удается значительно увеличить толщину поглощающего слоя (например, до 720 м).

Чаще всего для решения различных газоаналитических задач используют дифференциальную схему, оптическая часть которой содержит два канала с рабочей и опорной (сравнительной) кюветами.

Применяется также вариант газоанализатора с лазерными источниками излучения

Оптико – акустический метод.

Основы метода.

Это вариант метода абсорбционного анализа газов, который благодаря своеобразию процессов формирования и способов регистрации аналитического сигнала, общепринято считать самостоятельным направлением в газовом анализе. В оптико-акустическом методе (ОАМ) измеряют отклик поглощающей среды при воздействии на нее зондирующего излучения В основу метода положен так называемый оптико-акустический эффект, заключающийся в преобразовании части поглощенной газом энергии зондирующего излучения в теплоту, что приводит к изменению давления в газе, а при определенных условиях - к возникновению колебаний давления.

При модуляции с акустической частотой (от нескольких Гц до десятков кГц) мощности излучения в поглощающей газовой среде будут распространяться с той же частотой в виде волн зоны повышенного давления. Эти акустические колебания в газе регистрируются мембранными датчиками (микрофонами, выдающими электрический сигнал, значение которого зависит, в конечном счете, от содержания поглощающего компонента газовой смеси).

При облучении газовой смеси излучением в миллиметровом и субмиллиметровом диапазоне (длина волны излучения от десятых миллиметра до единиц сантиметров) возбуждаются чисто вращательные уровни энергетических состояний молекул. При поглощении излучения в видимой и ИК - областях спектра (λ = 0,4 - 40 мкм) возбуждаются колебательно-вращательные уровни основного состояния молекул. Возбуждение электронно-колебательных уровней происходит при поглощении в УФ - области спектра (λ ≤ 0,4 мкм).

Поглощенная молекулами энергия расходуется, во-первых, на нагревание газа и стенок абсорбционной кюветы в процессах безизлучательного девозбуждения; во-вторых, на излучение новых фотонов (флуоресценцию); в-третьих, на протекание различных фотохимических процессов, например, фотодиссоциации или фотоионизации.

Из перечисленных каналов девозбуждения (релаксации) только один -безызлучательная релаксация в объеме газа за счет межмолекулярных столкновений - приводит к преобразованию поглощённой энергии зондирующего излучения в теплоту газа. В связи с этим важно создать условия, в которых время τ_{вр -_кол.} преобразования поглощенной энергии по этому каналу было бы много меньше времени релаксации поглощенной энергии на стенках кюветы τ_ст или за счет излучения (флуоресценции) τ_ф. Уменьшение числа возбужденных молекул за счет фотохимических процессов имеет заметное значение лишь при поглощении излучения в УФ, а в некоторых случаях, видимой областях спектра, и обычно не принимается во внимание.

ОАГ широко применяют в различных отраслях науки и техники для решения таких газоаналитических задач, как анализ сложных газовых смесей и технологических газов, определение примесных загрязнений в атмосфере и при производстве чистых газов, анализ изотопного состава и его изменений в газах ОАМ позволяет решать эти задачи с большой точностью и экспрессностью (порядка нескольких секунд) в широком интервале концентраций (динамический интервал большинства ОАГ составляет 4-5 порядков).

Характеризуя в целом оптико-акустический метод анализа неорганических газов, следует отметить, что в настоящее время он является одним из наиболее универсальных и чувствительных газоаналитических методов. Простые и надежные ОАГ недисперсионного типа широко применяются для контроля различных технологических процессов и загрязнений атмосферы. Высокая точность и чувствительность лазерных ОАГ с дифференциальной регистрацией сигнала открывает хорошие перспективы для их применения в анализе чистых газов.

Первичные процессы явления, положенного в основу OAM - поглощение и преобразование энергии зондирующего излучения в теплоту газовой среды. Вторичными процессами являются возникновение акустических колебаний в газе и преобразование их энергии в электрический сигнал.

ОА – эффект является сложным, многостадийным процессом поглощения и преобразования энергии зондирующего излучения в электрический сигнал, эффективность которого характеризуется коэффициентом чувствительности и зависит от многих параметров.

Градуировка по эталонным газовым смесям не вызывает, как правило, затруднений при содержаниях определяемых компонентов от десятков до тысячных долей % (мол.). Градуировка по поглощению проводится с использованием газа, основные параметры полос поглощения которого хорошо изучены, например, диоксида углерода и эталонных смесей его с различными газами при содержании в них не менее 0,1% (мол.) СО₂. Следует отметить, что последний вариант градуировки применим лишь в лазерном варианте ОАМ.

Существующие в настоящее время ОА - системы можно разделить на две группы - недисперсионные и лазерные. Принципиальным отличием вариантов ОАМ, использующих эти приборы, является применение различных источников излучения: в недисперсионных - некогерентных, излучающих в широкой области спектра и обладающих относительной малой спектральной мощностью излучения; в лазерных - когерентных, излучающих в узкой области спектра и имеющих большую спектральную мощность. В связи с этим для достижения основных в газовом анализе характеристик - селективности и чувствительности - различные варианты ОАС имеют существенно различные аппаратурные схемы.

В лазерных ОАС селективность определяется монохроматичностью зондирующего излучения и возможностью настройки его на максимум линий или полосы поглощения определяемого компонента газовой смеси. В недисперсионных ОА - системах селективность достигается путем использования как избирательных ОА - приемников (ОАП) излучения, заполненных определяемым газом и регистрирующих, следовательно, излучение только в области поглощения молекул газа, так и элементами предварительной селекции зондирующего излучения - фильтрами. Таким образом, непременным условием недисперсионного варианта ОАС является использование раздельных элементов: рабочих абсорбционных кювет и ОАП.

Большая спектральная мощность лазерного излучения и возможность прямого детектирования поглощенной энергии в рабочей абсорбционной кювете позволяет достигать в лазерном варианте ОАМ значительно большей чувствительности по примесным компонентам газовой среды, чем в недисперсионном варианте метода.

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: