Способ определения концентрации вещества

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ етельству к авторском союз советскНХ:СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ РЕСПУБЛИК.ГОСУДфРСТВЕ 1 П 10 Е ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР(71) Специальное конструкторское бюро средств аналитической техники(56) Лазерные абсорционные методы анализа микроконцентраций газов.Энергоиздат МИХИ, 1984, с.103-109.Авторское свидетельство СССР В 1468184, кп. 6 01 И 26/61, 1987.(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ВЕЩЕСТВА(57) Применение: изобретение может быть использовано при создании чувствительных. лазерных анализаторов состава веществ с высокой точностью измерения. Сущность: способ заключается в том, что дополнительно устанавливают(51) б 0015 21 61 21 39 зеркало вне резонатора первого лазера, возвращающее часть его излучения более сильной волны назад в резонатор по рабочему или сравнительному каналу, получают с помощью этого зеркала фазовый резонанс в излучении первого лазера в области центральной частоты перехода его усиливающей или поглощающей среды, стабилизируют частоту генерации первого лазера по этому фазовому резонансу с помощью системы АПЧ, смешивают излучение первого и второго лазера, также стабилизированного по частоте того же перехода, что и первый и с уровнем нестабильности частоты не хуже, чем в первом, измеряют их разностную частоту в моменты открытия рабочего или опорного каналов, а о концентрации исследуемого вещества судят по величине изменения разностной частоты в эти моменты, 1 ил.Изобретение относится к аналитическому приборостроению и может быть использовано при создании чувствительных лазерных анализаторов состава вещества с высокой точностью измерения.Целью изобретения является увеличение точности и чувствительности анализа состава веществ.На чертеже приведена схема лазерного газоанализатора, реализующего способГазоанализатор содержит газоразрядную Не-йе трубку 1, поглощающую ячейку 2, наполненную СН 4 при давлении 1 Торр, четыре зеркала 3, одно из которых помещено на пьезокорректор 4. Эти элементы образуют первый кольцевой лазер. В состав газоанализатора также входят внешний интерферометр 5, где смешиваются встречные волны лазера 1,г, двухплощадочный фото- приемник 6 типа ФУВ 611, система АГ 1 Ч 7, смеситель 8, который состоит из зеркал, смешивающих излучение сильной волны. выходящее через различные зеркала 3 кольцевого лазера, рабочей кюветы 9 и модулятора 10, коммутирующего рабочий и опорный каналы; дополнительное зеркало 11, второй стабилизированный по частоте лазер 12, фотоприемник 13, усилитель И, счетчики 15, 16 рабочего и опорного кан. лов, датчик 17 положения модулятора, фор, мирователь 18, система регистрации 19, индикатор 20, источник 21 напряжения смещения,Газоаналиэатор работает следующим образом,Излучение первого кольцевого лазера поступает во внешний интерферометр 5, где смешиваются встречные волны 1, 12. Биения этих волн детектируются с помощью двухплощадочного фотоприемника 6 типа ФУЛ. Система АПЧ 7 отрабатывает уход частоты генерации лазера от центра линии усиления в(+) или поглощения иЬЯ, где частота биений встречных волн равна нулю и площадки фотоприемника 6 освещены одинаково. При этом корректирующее напряжение АПЧ подается на пьезокорректор 4. В смесителе 8, куда направляется излучение более сильной волны, выходящее через различные зеркала 3 кольцевого резонатора, установлена кювета 9, через которую прокачивается анализируемая газовая смесь; Модулятор 10 поочередно перекрывает излучение, прошедшее кювету 9, и излучение, направляемое мимо нее. Световой поток, вышедший из смесителя 8, отражается от зеркала 11, установленного на пьезокорректоре 4 для регулировки фазы отраженного излучения с помощью источника 21, и поступает снова в резонатор ла эера через кювету 9 или мимо нее в зависимости от положения диска модуляторе 10. Излучение, прошедшее кювету 9, дважды претерпевает:- поглощение анализируемым газом (например, СН 4), присутствующим в пробе, что. уменьшает модуль коэффициента связи встречных волн до величины в 1 - в 1 еф и приводит к сдвигу частоты кольцевого лазе 1 Щ-а )ЛО = 2 Г в в 10)ГЕ (у -р ),в ггг где Г - ширина резонанса,1 г(0) - интенсивность слабой волны в центре резонанса при совпадении центральных частот резонансов. пассивной и активной среды; 1 = 11 + 1 г - суммарная интенсивность встречных волн; а 1 д - модули коэФфициентов связи, которые равны й = 2 с/Е(1-й)4 Г (2),г ,ггде Е - коэффициент отражения зеркала, за которым установлены дополнительные зеркала с коэффициентами отражений й 1; Яг, возвращающие часть излучения в резонатор; у)1,щ - фазы отраженных сильной и слабой волн; И - коэффициент поглощения анализируемого газа; с - скорость света; 1. - длина резонаора лазера;- изменение фазы отраженной волны на величину 25 30 ДР 2 ЖЯ,(пСН 4 " пв) Х 1, (3) 35 где пСНд, п - показатели прфйомления метана и воздуха; Я, - длина айны излучениялазера. Г40 Рассмотрим два случая, когда концентрацгия Х СН 4 в кювете равна Х 1 - 10 и Хг- -10 . Длина 1 кюветы 9 равна 100 мм, ольцевой лазер стабилизирован по резонансам шириной 100 кГц, вне резонатора установ лено одно возвратное зеркало, отражающее излучение сильной волны в резонатор лазера, т.е; в 1 вг, скажем а 1 10 еа контраст резонанса ЦО)/1 - 0,2. Тогда в соответствии с (1) значения сдвига эа счет 50 изменения модуля коэффициента связи волнв первом случае составляют О;76 кГц; во втором -394 кГц. Значения Ьрдля первого случая соответствует 0,032, для второго. Эти величинь не окаэмвают сущаст венного влияния на значение сдвига частоты, и изменение фазы отражвйной волны в нашей примера можно цв учитывать. Как видим, изменение сдвига частоты при наличии анализируемого компонентв в20путем возвращения части излучения более сильной волны первого лазера назад в резонатор с помощью дополни тельного зеркала, установленного внерезонатора первого лазера, стабилизируют частоту первого лазера по фээовому резонансу. смешивают излучение первого лазера с излучением второго 30 лазера, стабилизированного по частотетого же перехода, что и первый, измеряют их раэностную частоту, а о концентрации анализируемого вещества судят по величине. изменения этой 35 резонансной частоты при коммутацииканалов первого лазера,кювете 9 весьма значительное даже при низких концентрациях анализируемого компонента (концентрация 10 СН 4 соответствует фоновой концентрации метана в атмосферном воздухе). Для регистрации изменения сдвига частоты излучения кольцевого лазера оно смешивается с излучением другого стабилизиоованного по частоте Не-йе лазера 12, Частота их биений детектируется фотоприемником 13 с малой постоянной времени, усиливается в широкополосном усилителе 14 и поступает на счетчики 15, 16 рабочего и опорного каналов. Счетчики запускаются импульсами, поступающими с датчика 17 положения модулятора через формирователь 18. В счетчике опорного канала 16 фиксируется частотный сдвиг Ь И, при таком положении модулятора 10, когда лазерное излучение1 ФоРмула изобретенияСПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ВЕЩЕСТВА, включающий разделение излучения первого лазера с коль. цевым резонатором по рабочему и опорному каналам, помещение в рабочий канал анализируемого вещества, а в опорный - эталонного, периодическую коммутацию этих каналов, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности и точности определения, получают фазовый резонанс в излучении первого кольцевого лазера в области центральной частоты перехода его усиливающей или поглощающей среды не проходит через кювету 9; в счетчике 15 рабочего канала фиксируется частотный сдвиг ЬЯ сучетомпоглощенияизлучения в кювете 9, В системе регистрации 19 про исходит обработка частотных сигналов поопределенному алгоритму (напримерЬЙ -Ьйи результат измео10 рений поступает в индикатор 20.Таким образом, переход к измерениючастотных сдвигов (вместо непосредственного измерения пропускания) существенно повышает точность и чувствительность из мерений (при абсолютной нестабильностичастоты генерации +10 Гц, точность иэ 5- мерения 1 СНд соответствует 2,5 10 1 млн СН 4 - 1-3 10.