Сдам Сам

ПОЛЕЗНОЕ


КАТЕГОРИИ







Тема: Организация и задачи мониторинг выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух





МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

ПО ПРАКТИЧЕСКИМ ЗАНЯТИЯМ

 

Направление подготовки 20.04.01 «Техносферная безопасность»

 

 

Новороссийск

2016 год

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 1

 

Тема: Организация и задачи мониторинг выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух

Продолжительность 2 час

 

В статье 23 «Мониторинг атмосферного воздуха» Федерального Закона от 04.05.1999 № 96-ФЗ «Об охране атмосферного воздуха» отмечается следующее.

В целях наблюдения за загрязнением атмосферного воздуха, комплексной оценки и прогноза его состояния, а также обеспечения органов государственной власти, органов местного самоуправления, организаций и населения текущей и экстренной информацией о загрязнении атмосферного воздуха Правительство Российской Федерации, органы государственной власти субъектов Российской Федерации, органы местного самоуправления организуют государственный мониторинг атмосферного воздуха и в пределах своей компетенции обеспечивают его осуществление на соответствующих территориях Российской Федерации, субъектов Российской Федерации и муниципальных образований.

Государственный мониторинг атмосферного воздуха является составной частью государственного мониторинга окружающей среды и осуществляется федеральными органами исполнительной власти в области охраны окружающей среды, другими органами исполнительной власти в пределах своей компетенции в порядке, установленном уполномоченным Правительством Российской Федерации федеральным органом исполнительной власти.

Территориальные органы федерального органа исполнительной власти в области охраны окружающей среды совместно с территориальными органами федерального органа исполнительной власти в области гидрометеорологии и смежных с ней областях устанавливают и пересматривают перечень объектов, владельцы которых должны осуществлять мониторинг атмосферного воздуха.

В «Положении об организации и осуществлении государственного мониторинга окружающей среды (государственного экологического мониторинга)» [22], утвержденном Постановлением Правительства РФ от 31 марта 2003 г. № 177, приводятся следующие цели и задачи мониторинга.

Экологический мониторинг осуществляется в целях:

- наблюдения за состоянием окружающей среды, в том числе за состоянием окружающей среды в районах расположения источников антропогенного воздействия и воздействием этих источников на окружающую среду;

- оценки и прогноза изменений состояния окружающей среды под воздействием природных и антропогенных факторов;

- обеспечения потребностей государства, юридических и физических лиц в достоверной информации о состоянии окружающей среды и ее изменениях, необходимой для предотвращения и (или) уменьшения неблагоприятных последствий таких изменений.

Информация, полученная при осуществлении экологического мониторинга, используется, среди прочего, при:

- разработке прогнозов социально-экономического развития Российской Федерации, субъектов Российской Федерации, муниципальных образований и принятии соответствующих решений;

- осуществлении контроля в области охраны окружающей среды (экологического контроля) и проведении экологической экспертизы;

- прогнозировании чрезвычайных ситуаций и проведении мероприятий по их предупреждению.

При проведении экологического мониторинга решаются следующие основные задачи:

- организация и проведение наблюдения за количественными и качественными показателями (их совокупностью), характеризующими состояние окружающей среды, в том числе за состоянием окружающей среды в районах расположения источников антропогенного воздействия и воздействием этих источников на окружающую среду;

- оценка состояния ОС, своевременное выявление и прогноз развития негативных процессов, влияющих на состояние окружающей среды, выработка рекомендаций по предотвращению вредных воздействий на нее;

- информационное обеспечение органов государственной власти, органов местного самоуправления, юридических и физических лиц по вопросам состояния окружающей среды;

- обеспечение участия Российской Федерации в международных системах экологического мониторинга.

Обобщая изложенное выше, можно дать следующее определение: экологический мониторинг (ЭМ) – это комплекс выполняемых по научно обоснованным программам наблюдений, оценок, прогнозов и разрабатываемых на их основе вариантов управленческих решений, необходимых для обеспечения управления состоянием ОС и экологической безопасности. Включает в себя мониторинг ОС, мониторинг источников антропогенного воздействия, биологический мониторинг. На рисунке 1 приведены основные компоненты системы мониторинга [23]:

– наблюдение за состоянием окружающей среды и факторами, воздействующими на нее;

– оценка фактического состояния ОС;

– прогноз состояния окружающей среды в результате возможных загрязнений и оценка этого состояния.

Экологический мониторинг является комплексным мониторингом биосферы. Он включает в себя контроль изменений состояния ОС под влиянием как природных, так и антропогенных факторов.

Объектами мониторинга являются атмосфера (мониторинг приземного слоя и верхней атмосферы); атмосферные осадки (мониторинг атмосферных осадков); поверхностные воды суши, океаны и моря, подземные воды (мониторинг гидросферы); криосфера (мониторинг составляющих климатической системы).

Экологический мониторинг является комплексным мониторингом биосферы. Он включает в себя контроль изменений состояния ОС под влиянием как природных, так и антропогенных факторов.

Объектами мониторинга являются атмосфера (мониторинг приземного слоя и верхней атмосферы); атмосферные осадки (мониторинг атмосферных осадков); поверхностные воды суши, океаны и моря, подземные воды (мониторинг гидросферы); криосфера (мониторинг составляющих климатической системы).

 

 


Рисунок 1 – Схема экологического мониторинга

 

Существует представленная на рисунке 2 классификация систем мониторинга по факторам, источникам и масштабам воздействия [23].

Мониторинг факторов воздействия – мониторинг различных химических загрязнений (ингредиентный мониторинг) и разнообразных природных и физических факторов воздействия (электромагнитное излучение, солнечная радиация, шум и др.).

Мониторинг источников загрязнений – мониторинг точечных стационарных источников (заводские трубы), точечных подвижных (транспорт), пространственных (города, поля с внесенными химическими веществами) источников.

 


 

 

Рисунок 2 – Блок-схема системы мониторинга

 

По характеру обобщения информации:

– г л о б а л ь н ы й – слежение за общемировыми процессами и явлениями в биосфере Земли, включая все ее экологические компоненты, и предупреждение о возникающих экстремальных ситуациях;

– б а з о в ы й – слежение за общебиосферами, в основном природными явлениями без наложения на них региональных антропогенных влияний;

– н а ц и о н а л ь н ы й – мониторинг в масштабах страны;

– р е г и о н а л ь н ы й – слежение за процессами и явлениями в пределах региона, где они могут отличаться по природному характеру и по антропогенным воздействиям от базового фона, характерного для всей биосферы;

– л о к а л ь н ы й – мониторинг воздействия конкретного антропогенного источника;

– и м п а к т н ы й – мониторинг региональных и локальных антропогенных воздействий в особо опасных зонах и местах.

Классификация систем мониторинга может основываться и на методах наблюдения (мониторинг по физико-химическим и биологическим показателям, дистанционный мониторинг).

Следует отметить, что большинство работ по контролю и мониторингу выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух, выполненных к настоящему моменту, представляют анализы загрязнения атмосферы ограниченного объема и рассматривают только отдельные подходы к решению данной проблемы. Ряд исследований не уделяет должного внимания важному методу дистанционного мониторинга с использование лазерных технологий.

Обстоятельства, препятствующие развитию дистанционного мониторинга с использование лазерных технологий, сводятся к нескольким основным причинам:

– отсутствие единого подхода к задаче дистанционного мониторинга с использование лазерных технологий;

– недостаточное развитие методик для оценки параметров лидаров и систем на их основе, которые можно использовать для задач дистанционного мониторинга;

– отсутствие системного подхода к решению задачи прогнозирования, выполняемых по научно обоснованным программам наблюдений, оценок, прогнозов и разрабатываемых на их основе вариантов управленческих решений, необходимых для обеспечения управления состоянием окружающей среды и экологической безопасности;

– отсутствие достаточного опыта реализации систем дистанционного мониторинга выбросов загрязняющих веществ судовыми энергетическими установками и необходимого числа практических примеров выполнения подобного рода работ с учетом фактора присутствия водного транспорта.


ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 2

 

Тема: Физические основы лидарного зондирования

Продолжительность 2 час

Лазерная система дистанционного зондирования или лидар представляет собой бесконтактное средство измерения параметров удаленной мишени, в котором лазерное излучение направляется через атмосферу на мишень, а рассеянное мишенью излучение с этого расстояния зондирования собирается приемным телескопом на фотоприемник [32 – 34]. Лидар состоит из передатчика – лазерного излучателя и приемника – приемного телескопа со спектроанализатором и фотоприемником. Управление лидаром и обработка сигнала с фотоприемника осуществляется специализированным электронным устройство, работающим на линии с персональным компьютером (ПК). В работах [35 – 37] были предложены различные варианты лидарных систем, предназначенных для решения различных задач экологического мониторинга и непрерывного контроля загрязнения атмосферы. Такая станция мониторинга выбросов на промышленном объекте – лазерная система управления качеством атмосферного воздуха [38 – 40] – может быть представлена лидаром, или совмещать в себе несколько типов лидаров, реализующих методы дифференциального поглощения и рассеяния и комбинационного рассеяния света, что определяется типом загрязняющих веществ и особенностями наблюдаемого района. Сама система работает на линии с ПК, как это было описано в [39], или используется выделенный Интернет – канал. Выбор основных параметров такой системы для контроля загрязняющих веществ в атмосфере составляет важное направление в рамках построения систем контроля загрязняющих веществ в атмосфере.

В работе [32] подробно рассмотрены явления, возникающие при взаимодействии лазерного излучения с мишенью. В общем случае такая мишень представляет собой газовый поток или смесь, состоящий из аэрозольных частиц и газовых молекул. При распространении лазерного излучения сквозь такую мишень интенсивность лазерного излучения уменьшается за счет поглощения (или абсорбции) излучения веществом мишени за счет преобразования энергии световой волны в другие виды энергии [41] по закону Бугера –Ламберта-Беера [39]:

  I = I0 exp(-kx) (3.1)

где x – толщина поглощающего слоя, а k - коэффициент поглощения, зависящий от длины волны лазерного излучения, химической природы и состояния вещества. Согласно развитым в [41] представлениям элементарный акт поглощения происходит при переходе свободного атома или атома в составе молекулы газа в возбужденное состояние и при этом поглощается квант лазерного излучения.

Флуоресценция является одним из двух видов молекулярной фотолюминесценции и представляет собой один из возможных переходов атома или молекулы из возбужденного состояния в основное [41]. Флуоресценция характеризуется малой длительностью (менее 10-6 с) и обусловлена испусканием фотонов при переходе системы из возбужденного состояния в основное состояние. Люминесценция же в общем случае – это свечение вещества, возникающее после поглощения им энергии возбуждения, и представляет собой избыток над тепловым излучением, испускаемым веществом при данной температуре за счет его внутренней (тепловой) энергии. В отличие от других видов свечения (например, рассеяния света, тормозного излучения) люминесценция характеризуется временем свечения, значительно превышающим период колебаний световой волны и составляющим от 10-12 с до нескольких суток. Механизм люминесценции заключается в образовании под действием энергии от внешнего или внутреннего источника возбужденных состояний атомов, молекул, кристаллов и последующим испускании ими квантов света (фотонов). По типу возбуждения выделяют следующие виды люминесценции: фотолюминесценцию (флуоресценцию, источник энергии возбуждения - свет), радиолюминесценцию (радиоактивное излучение), электролюминесценцию (электрическое поле), катодолюминесценцию (пучок электронов), триболюминесценцию (механическое воздействие), хемилюминесценцию (химические реакции) и др. Флуоресценция характеризуется спектром испускания (фотолюминесценцию – также спектром возбуждения), квантовым выходом, поляризацией и временем затухания. Спектр испускания (или спектр флуоресценции) представляет собой зависимость интенсивности свечения от частоты или длины волны испускаемого света. На практике обычно пользуются наблюдаемыми спектрами флуоресценции, зависящими от спектральной чувствительности и градуировки прибора. Для получения истинного (квантового) спектра испускания выражают интенсивность флуоресценции числом фотонов, приходящихся на единичный интервал частот. Спектром возбуждения флуоресценции называется зависимость интенсивности свечения на фиксированной частоте от частоты (или длины волны) возбуждающего света. При слабом поглощении света образцом истинный спектр возбуждения флуоресценции в большинстве случаев совпадает со спектром поглощения флуоресцирующей мишени. Положение длины волны полосы в спектре флуоресценции определяется разностью энергий состояний, связанных излучательным переходом; интенсивность полосы и время затухания свечения – заселенностью возбужденного состояния и вероятностью перехода (или временем жизни возбужденного состояния). При испускании фотона сохраняется равновесная ядерная конфигурация молекулы, свойственная возбужденному состоянию (принцип Франка-Кондона [41]), поэтому при возвращении в основное состояние молекула обычно оказывается на одном из верхних колебательных уровней, соответствующем колебаниям тех химических связей, равновесная длина которых при данном электронном переходе меняется. В результате частоты колебаний основного состояния проявляются в колебательной структуре спектров флуоресценции молекул, тогда как в колебательной структуре спектров поглощения проявляются и частоты колебаний возбужденного состояния. В атомных парах испускание фотонов происходит при переходе в основное состояние из того же возбужденного состояния, которое образовалось при поглощении фотона, поэтому энергии испускаемого и поглощенного фотонов одинаковы (резонансная флуоресценция); в спектрах испускания и поглощения (возбуждения) наблюдаются совпадающие узкие линии. Однако в многоатомных молекулах часть поглощенной энергии превращается в тепловую (происходит диссипация энергии), что приводит к сдвигу спектра испускания относительно спектра возбуждения в низкочастотную (длинноволновую) область (закон Стокса [41]). Квантовый выход флуоресценции определяется отношением числа испускаемых фотонов к числу поглощаемых и является функцией квантового выхода данного возбужденного состояния, вероятностью испускания фотона или константой скорости kE этого процесса и средним временем жизни этого возбужденного состояния. В простых молекулярных системах типа газовых потоков флуоресценция после возбуждения коротким лазерным импульсом (по сравнению с средним временем жизни этого возбужденного состояния τi) затухает обычно по экспоненциальному закону [32]:

  I(t) = I0ехр(-t/τi), (3.2)

где I0 – начальная интенсивность излучения, t – текущее время.

Величина, обратная τi равна сумме констант скорости kj всех излучательных и безызлучательных процессов гибели данного возбужденного состояния. При наличии в возбужденном состоянии равновесий между различными формами возбужденных молекул или переноса энергии кинетика флуоресценции становится более сложной и может быть описана суммой двух или нескольких экспонент. Флуоресценция обычно частично поляризована даже в случае изотропных образцов и возбуждения неполяризованным светом, если угол между направлениями наблюдения и возбуждения отличен от нуля. Наибольшая степень поляризации флуоресценции наблюдается в тех случаях, когда направления возбуждения х, наблюдения у и поляризации возбуждающего света z перпендикулярны друг другу и определяется отношением интенсивностей Iz и Ix компонент флуоресценции, поляризованных в направлениях z и х соответственно.

Зависимость степени поляризации от частоты (или длины волны) возбуждающего света, содержит информацию о характере вращения молекул в газовых средах и процессах переноса энергии в этих молекулах. Уменьшение квантового выхода называется тушением флуоресценции. Оно может наблюдаться под действием различных примесей (молекул газов в смеси) или при повышении температуры (температурное тушение).

Под рассеянием света понимается изменение характеристик потока лазерного излучения при его взаимодействии с веществом. Этими характеристиками могут быть пространственное распределение интенсивности, частотный спектр и поляризация света. На аэрозольных частицах наблюдается упругое рассеяние света без изменения частоты или длины волны падающего излучения [32, 33, 42]. Часто рассеянием света называется только обусловленное пространственной неоднородностью среды или мишени изменение направления распространения света, воспринимаемое как несобственное свечение среды. Количественной характеристикой рассеяния света и при классическом, и при квантовом описании является дифференциальное сечение рассеяния dσ, определяемое как отношение потока излучения dI, рассеянного в малый элемент телесного угла , к величине падающего потока I 0:

  = dI / I 0 (3.3)

Полное сечение рассеяния σ есть сумма по всем (сечение измеряют обычно в см2). При упругом рассеянии можно считать, что σ — размер площадки, «не пропускающей свет» в направлении его первоначального распространения. При классическом описании рассеяния света часто пользуются матрицей рассеяния, связывающей амплитуды падающей и рассеянных по всевозможным направлениям световых волн и позволяющей учесть изменение состояния поляризации рассеянного света.

Наглядной характеристикой рассеяния света служит индикатриса рассеяния – кривая, графически отображающая различие в интенсивностях света, рассеянного в разных направлениях [32]. Рассеяние света аэрозольными частицами можно описать на основе теории дифракции света на диэлектрических частицах. Многие характерные особенности рассеяния света частицами удаётся проследить в рамках строгой теории, разработанной для сферических частиц английским учёным А. Лявом (1889) и немецким учёным Г. Ми (1908, теория Ми) [43].

Когда радиус частицы r много меньше длины волны света λ n в его веществе, рассеяние света на нём аналогично нерезонансному рассеянию света атомом. Сечение (и интенсивность) рассеяние света в этом случае сильно зависит от r и от разности диэлектрических проницаемостей ε и ε0 вещества частицы и окружающей среды: σ ~ λ n —4 r 6(ε - ε 0) (Рэлей, 1871).

С увеличением r до r ~ λn и более (при условии ε > 1) в индикатрисе рассеяния появляются резкие максимумы и минимумы - вблизи так называемых резонансов Ми (2 r = n, где m = 1, 2, 3,...). В этом случае сечения сильно возрастают и становятся равными 6π r 2, рассеяние вперёд усиливается, назад – ослабевает, а зависимость поляризации света от угла рассеяния значительно усложняется.

Рассеяние света большими частицами (r >> λn) обычно рассматривают на основе законов геометрической оптики с учётом интерференции лучей, отражённых и преломленных на поверхностях частиц. Важная особенность этого случая - периодический по углу характер индикатрисы рассеяния и периодическая зависимость сечения от параметра rn. Именно рассеяние света на крупных частицах обусловливает ореолы, радуги, гало и другие явления, происходящие в аэрозольных средах – туманах и облаках.

Частным случаем рассеяния света является комбинационное рассеяние света веществом, которое сопровождается изменением частоты рассеянного света. Если источник испускает линейчатый спектр, то при комбинационном рассеянии света в спектре рассеянного света обнаруживаются дополнительные линии, число и расположение которых тесно связаны с молекулярным строением вещества. Это схематично изображено на рисунке 3.1.

Комбинационное рассеяние света открыто в 1928 российскими физиками Г. С. Ландсбергом [44] и Л. И. Мандельштамом [45] при исследовании рассеяния света в кристаллах и одновременно индийскими физиками Ч. В. Раманом и К. С. Кришнаном при исследовании рассеяния света в жидкостях, поэтому в зарубежной литературе комбинационное рассеяние света часто называют эффектом Рамана [46].

При комбинационном рассеянии света преобразование первичного светового потока сопровождается обычно переходом рассеивающих молекул на другие колебательные и вращательные уровни [41], причём частоты новых линий в спектре рассеяния являются комбинациями частоты падающего света и частот колебательных и вращательных переходов рассеивающих молекул – отсюда и название «комбинационное рассеяние света». Для наблюдения спектров комбинационного рассеяния света необходимо сконцентрировать интенсивный пучок света на исследуемом образце.

 

ν

ν0- ν3 ν0- ν2 ν0- ν1 ν0 ν0+ ν1 ν0+ ν2 ν0+ ν3

C Ас

 

Рисунок 3.1 – Схема Стоксовых – С линий с частотами ν0 - ν1, ν0 - ν2, ν0 - ν3 и Антистоксовых – Ас линий с частотами ν0+ ν1, ν0+ ν2, ν0+ ν3 при комбинационном рассеянии света с возбуждением на частоте ν0

 

В качестве источника возбуждающего света чаще всего применяли ртутную лампу, а с 60-х гг. прошлого века – лазерный луч. Рассеянный свет фокусируется и попадает в спектрограф, где спектр комбинационного рассеяния света регистрируется фотографическим или фотоэлектрическим методами. Комбинационное рассеяние света наиболее часто связано с изменением колебательных состояний молекул. Такой спектр комбинационного рассеяния света состоит из системы линий спутников, расположенных симметрично относительно возбуждающей линии с частотой ν0, как на рисунке 3.1. Каждому спутнику с частотой ν0 - νi (красный, или стоксов спутник согласно закону Стокса [41]) соответствует спутник с частотой ν0+ νi (фиолетовый, или антистоксов спутник). Здесь νi - одна из собственных частот колебаний молекулы.

Таким образом, измеряя частоты линий комбинационного рассеяния света, можно определять частоты собственных (или нормальных) колебаний молекулы, проявляющихся в спектре комбинационного рассеяния света. Аналогичные закономерности имеют место и для вращательного спектра комбинационного рассеяния света, в котором частоты линий определяются вращательными переходами молекул. В простейшем случае вращательный спектр комбинационного рассеяния света – это последовательность почти равноотстоящих симметрично расположенных линий, частоты которых являются комбинациями вращательных частот молекул и частоты возбуждающего света.

Согласно квантовой теории, процесс комбинационного рассеяния света состоит из двух связанных между собой актов – поглощения первичного фотона с энергией h ν(h – постоянная Планка) и испускания фотона с энергией h ν ', где ν' = ν ± νi и происходящих в результате взаимодействия электронов молекулы с полем падающей световой волны. Молекула, находящаяся в невозбуждённом состоянии, под действием кванта с энергией h ν через промежуточное электронное состояние, испуская квант h (ν - νi), переходит в состояние с колебательной энергией h ν i. Такая схема энергетических уровней и соответствующих переходов изображена на рисунке 3.2.

 

 

 

 

Рисунок 3.2 – Схемы Стоксова (С) и Антистоксова (Ас) переходов при комбинационном рассеянии света. 0 – основной уровень, 1 – промежуточный электронный уровень молекулы, 2 – колебательный уровень с числом v = +1, 3 – колебательный уровень с числом v = –1

 

Этот процесс приводит к появлению в рассеянном свете стоксовой линии с частотой ν - νi. Если фотон поглощается системой, в которой уже возбуждены колебания, то после рассеяния она может перейти в нулевое состояние; при этом энергия рассеянного фотона превышает энергию поглощённого. Этот процесс приводит к появлению антистоксовой линии с частотой ν + νi. Вероятность w комбинационного рассеяния света зависит от интенсивностей возбуждающего I0 и рассеянного I излучения: w= aI 0(b + I), где а и b — некоторые постоянные.

При возбуждении комбинационного рассеяния света обычными источниками света (например, ртутной лампой) второй член в скобке мал и им можно пренебречь. Интенсивность линий комбинационное рассеяние света в большинстве случаев очень мала, причём при обычных температурах интенсивность антистоксовых линий Iacт, как правило, значительно меньше интенсивности стоксовых линий I. Поскольку вероятность рассеяния пропорциональна числу рассеивающих молекул, то отношение Iacт/I определяется отношением населённостей основного и возбуждённого уровней [47].

При обычных температурах населённость возбуждённых уровней согласно статистике Больцмана [41] невелика и, следовательно, интенсивность антистоксовой компоненты мала. С повышением температуры их населённость возрастает, что приводит к увеличению интенсивности антистоксовых линий. Интенсивность линий комбинационного рассеяния света I зависит от частоты ν возбуждающего света: на больших частотных расстояниях от области электронного поглощения молекул I ~ ν4, а при приближении к полосе электронного поглощения наблюдается быстрый рост их интенсивности. В некоторых случаях при малых концентрациях вещества удаётся наблюдать резонансное комбинационное рассеяние света – рассеяние, когда частота возбуждающего света попадает в область полосы поглощения вещества. При возбуждении комбинационного рассеяния света лазерами большой мощности вероятность комбинационного рассеяния света возрастает и возникает вынужденное комбинационное рассеяние света [48], интенсивность которого того же порядка, что и интенсивность возбуждающего света.

Линии комбинационного рассеяния света в большей или меньшей степени поляризованы [49, 50]. При этом различные спутники одной и той же возбуждающей линии имеют различную степень поляризации, однако характер поляризации стоксова и антистоксова спутников всегда одинаков. Степень деполяризации этих линий несет информацию о характере колебательной и вращательной релаксации молекулы [50].

Комбинационное рассеяние света, как и спектроскопия инфракрасного поглощения, является эффективным методом исследования строения молекул и их взаимодействия с ионами или другими молекулами.

Важно отметить, что спектр комбинационного рассеяния света и инфракрасный спектр поглощения не дублируют друг друга, поскольку определяются различными правилами отбора [47, 51]. Сопоставляя частоты линий в спектре комбинационного рассеяния света и инфракрасном спектре одного и того же химического соединения, можно судить о симметрии нормальных колебаний [51] и, следовательно, о симметрии молекулы в целом. Таким путём из нескольких предполагаемых моделей молекулы может быть выбрана реальная модель, отвечающая закономерностям в наблюдаемых спектрах.

Частоты, а также другие параметры линий комбинационного рассеяния света во многих случаях сохраняются при переходе от одного соединения к другому, обладающему тем же структурным элементом. Эта характеристичность параметров линий комбинационного рассеяния света лежит в основе структурного анализа молекул с неизвестным строением.

Спектры комбинационное рассеяние света каждого соединения настолько специфичны, что могут служить для идентификации этого соединения и обнаружения его в смесях. Качественный и количественный анализ по спектрам комбинационного рассеяния света широко применяется в аналитической практике, особенно при анализе смесей углеводородов [52]. Благодаря применению лазеров в качестве источников возбуждающего света значительно расширился круг объектов, доступных для исследования методами комбинационного рассеяния света, и стало возможным более детальное изучение газов, порошков и окрашенных веществ, в том числе и полупроводниковых материалов.


ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 3

 

Продолжительность 2 час

Все эти явления, возникающие при взаимодействии лазерного излучения с газовым потоком, лежат в основе рассматриваемых далее лидарных методов контроля и измерения концентрации загрязняющих веществ в атмосфере. По результатам выполненных ранее исследований различных типов лидаров [37, 53 – 56], предназначенных для зондирования загрязняющих веществ в газовых потоках или чистой атмосферы, можно предположить, что для обнаружения концентраций Na загрязняющих веществ порядка 1015 см-3 и ниже в атмосфере наиболее предпочтительным будет использование систем дифференциального поглощения. Это объясняется тем, что сечение поглощения значительно превышает эффективное (с учетом тушения) сечение флуоресценции и комбинационного рассеяния света [32]. В связи с этим на основе ослабления лазерного излучения с соответствующим подбором длины волны излучения можно создать чувствительный метод измерения концентрации загрязняющих веществ в атмосфере.

Вариант лидара дифференциального поглощения подразумевает использование двухволнового излучателя: одна длина волны лазерного излучения попадает в центр полосы поглощения молекулы загрязняющего вещества, а другая – вне этой полосы [57]. В качестве такого излучения можно использовать, например, основную гармонику YAG: Nd лазера на длине волны 1064 нм.

В общем случае основные параметры, определяющие сигнал дифференциального поглощения, описываются ДП - коэффициентом [37, 58]

  (3.4)

где Х – ДП- коэффициент;

s0 – сечение резонансного поглощения;

Na – концентрация атомов;

DR - толщина поглощающего слоя.

С другой стороны, ДП - коэффициент определяется соотношением лидарных сигналов на двух выбранных длинах волн. Из формулы (3.4) видно, что при известном значении сечения резонансного поглощения sа, можно достаточно эффективно использовать зависимость Х от Na в дистанционных измерениях концентраций загрязняющих веществ в атмосфере.

В лидаре дифференциального поглощения и рассеяния, оптическая схема которого приведена на рисунке 3.3 [58], излучение YAG: Nd лазера 1 с импульсами длительностью 10 нс и энергиями 25 мДж на длине волны 532 нм или использовалось на этой длине волны, или преобразовывалось в сапфире с титаном в перестраиваемое в диапазоне 600 … 1200 нм излучение, которое затем преобразовывалось во вторую гармонику.

Излучение того же лазера 1 с энергией в импульсе 40 мДж на длине волны 1064 нм направлялось в атмосферу вдоль оси приемного телескопа.

Лидар построен по коаксиальной схеме, когда оба луча имеют параллельные направления и параллельны оси приемного телескопа [32, 33].

Интенсивность прошедшего сквозь атмосферу излучения на длине волны зондирующего излучения ослаблялось за счет поглощения атомами или молекулами [32, 58] и через интерференционный светофильтр 5 направлялось на фотоприемник 6. Одновременно полупрозрачным зеркалом 4 лазерное излучение на длине волны 1064 нм через интерференционный светофильтр 7 направлялось на фотоприемник 8 для измерения его интенсивности. Оно также прошло сквозь толщу атмосферы и служит в качестве опорного сигнала в дифференциальной схеме измерения.

Рисунок 3.3 – Оптическая схема лидара дифференциального поглощения и рассеяния: 1 – лазер; 2,3 – плоскопараллельные пластины; 4 – полупрозрачное зеркало; 5, 7, 9, 11 – интерференционные светофильтры; 6, 8 – фотоумножители и 10, 12 – фотодиоды

 

Импульсы напряжений с двух одинаковых фотоприемников 6 и 8 вводились в измерительную систему и записывались в ПК. Стеклянные пластины 2 и 3 отводили часть лазерного излучения на длинах волн 532 и 1064 нм через светофильтры 9 и 11 на фотодиоды 10 и 12 для контроля энергии лазерных импульсов и синхронизации работы всего лидара.

Подбором коэффициентов усилителей на выходах фотоприемников были установлены коэффициенты передачи модулей, которые позволили перейти от напряжений к энергиям импульсов, а затем к ДП - коэффициенту Х, график зависимости которого от заданного расстояния позволил рассчитать концентрацию атомов или молекул по известному сечение поглощения на длине волны зондирования. Этот результат можно использовать при дистанционных измерениях концентрации загрязняющих веществ в атмосфере.


ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 4

 

Продолжительность 2 час

Наряду с дифференциальным поглощением и рассеянием для обнаружения загрязняющих веществ в атмосфере широкое распространение получил и метод комбинационного рассеяния света молекулами в газовых потоках [32, 59, 60]. Комбинационное рассеяние можно рассматривать как неупругий процесс, при котором лазерное излучение вызывает переход молекулы на виртуальный уровень с последующим почти мгновенным (время порядка 10-14 с) излучением на длине волны, отличной от лазерной. Разность энергий падающего и испущенного фотонов является характеристикой рассеивающей молекулы и обычно соответствует изменению колебательного квантового числа на единицу [47].

К сожалению, из-за незначительности величины сечений комбинационного рассеяния света молекулами большинства загрязняющих веществ (порядка 10-29 см2/ср против 10-18 см2/ср для сечения поглощения) чувствительность этого метода весьма ограничена. Поэтому наиболее вероятным представляется применение лидара комбинационного рассеяния света для дистанционного контроля дымовых шлейфов труб, концентрации молекул в которых и мог







Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...





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


©2015- 2024 zdamsam.ru Размещенные материалы защищены законодательством РФ.