Лазерный спектрофон

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН ия," ИСАНИЕ ИЗОБРЕ ЕЛЬСТ КА СК ОФОН, соьную кам 15 с опти встроенм с блоБаумана а юю снижеанализиру на бокоательно излучелои оптичения маее чем в тепловой ОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ(54) (57) ЛАЗЕРНЫЙ СПЕКТРдержащий лазер и измерителру, выполненную из металлаческими торцовыми окнами иным микрофоном, соединенньком регистрации, о т л ищ и й с я тем, что, с целния пределов обнаруженияемых примесей в веществе,вые стенки камеры последовнанесены слой поглощающегочение лазера материала и счески прозрачного для излутериала с толщиной, не ментри раза превышающей длинудиффузии в этом материалеИзобретение относится к технике анализа газов методами лазерной абсорбцнонной спектроскопии и может быть использовано для исследования слабопоглощакщих газовых сред, на пример, для изучения запрещенных переходов нли "горячих" полос поглощения, а также для детектирования микропримесей в газах в задачах биологии, медицины, химии, охраны ок ружающей среды и т.п.Известны оптико-акустические газоанализаторы, принцип действия которых основан на измерении поглощенной энергии резонансного излучения 15 в газах путем регистрации возникающих акустических колебаний 1 1Возникновение этих колебанийобъясняется преобразованием части поглощенной энергии в результате 20 беэизлучательной релаксации в тепловую энергию среды. Использование лазерного излучения высокой мощности позволяет существенно повысить чувствительность оптико-акустических газоанализаторов и применять их для детектирования следовых количеств примесей в газах.Наиболее близким к изобретению по технической сущности является ла- З 0 зерный спектрофон, содержащий лазер и измерительную камеру выполненную из металла с оптическими торцовыми окнами, в измерительной камере находится исследуеиий газ. При пропуска нии резонансного лазерного излучения в измерительной ячейке формируются акустические колебания, которыерегистрируются микрофоном и фиксирзяотся в блоке регистрации 12 3.40Недостатком известного устройства являются его высокие пределы обнаружения концентрации анализируемых веществ, ограничиваемые фоновыми акустическими колебаниями, обуслов-. 45 ленными поглощением лазерного излучения иа стенках измерительной ячейки.Целью изобретения являе.тся снижение пределов обнаружения аналиэнруе 50 мых примесей в веществе.Поставленная цель достигается тем,что в лазерном спектрофоне, содержащим лазер и измерительную камеру, выполненную из металла, с оптическими торцовыми окнами и встроенным микрофоном, соединенным с блоком регистрации, на боковые стенки камеры последовательно нанесены слой поглощающего излучение лазера материалаи слой оптически прозрачного для излучения материала с толщиной, не менее чем в три раза превышающей длинутепловой диффузии в этом материале,.На чертеже схематически представ. -лено предлагаемое устройство.Устройство содержит лазер 1, измерительную камеру 2, стенки 3 камеры, оптические окна 4, черненныйслой 5, оптическое покрытие 6, микрофон 7, микрофон 8,Устройство работает следующим образом.Излучение от лазера 1 пропускается через измерительную камеру 2с исследуемым газом сквозь оптические окна 4, Часть мощности лазерногоизлучения поглощается газом и в результате безизлучательных переходовв камере 2 формируются акустическиеколебания, которые регистрируютсямикрофоном 7, Часть излучения попадает на стенки камеры, Причиной этого являются дифракционные эффектына входных элементах устройства,рассеяние и отражение излучения вокнах камеры, а также касание стеноккамеры "крыльями" лазерного пучка,нмекщего обычно в поперечном сечениигауссов профиль,Попадание излучения на стенки камеры вызывает их нагрев, который передается соприкасающейся со стенкой средеЕсли этой средой является гаэ, то в нем возникают акустические 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 камеры, где и поглощается. Однако выделившееся тепло на поверхности съенок 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 н при достаточной толщине последнего тепловая волна полностью затухает и не доходит до газа. Для практически полного подавления тепловой волны толщина стенки должна не менее, чем в три раза превышать длиаее аФьюеааее ВежаВ а ФеЗаказ 2647/38 Тираж 823 . ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Иосква, 3-35, Раушская наб., д, 4/5 Филиал ППП "Патент" г. Ужгород, ул. Проектная, 4 ну тепловой диффузии. При этом условии амплитуда тепловой волны 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 камеру и вновь участвует в образовании фоновых сигналов. Для 10 исключения этого предлагается зачернить стенки для поглощения на них большей части падающего излучения.Таким образом, за.счет введения, дополнительного слоя оптического 15 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 25 пригодны такие достаточно распространенные материалы 1 как 1 з 1 Р СаР 2 . 2 п 8 е, Се, тефлон и др.Конструктивно слой оптического материала на поверхность стенок мож- ЗО 4но нанести в виде отдельных небольших пластинок, пристыкованных друг к другу нли же в виде цельной конструкции, совпадающей с геометрией камеры, Например, в случае цилиндрической камеры слой оптического материала выполняется 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 1,5- 2 мм, Нри использовании тефлона нанести его на поверхность стенок можно в 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.