Способ микроволновой газовой спектрометрии

(71) Институт пАН СССР(57) Изобретение отнованию и анализу газов Й ГАЗОВО тся к исследо- помощью микЦель изобре вительности роволнового излучения, тения - повышение чувс Изобре ию и анак исследоваощью микроет быть исние относится изу газов с по излучения и мо при молекуляр волнового пользован м и изото овой и паронализе особо веществ в га ом анал ой фазе например, и еств.зобретения стык в Целью ляется пов редставлена блок-схем еализующего предлагае ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕПЬСТ шение чувствительности и информатиности при сохранении простоты реалзации способа.На чертеже и пектрометра, р мый способ. Спектрометр содержит источник 1 огерентного микроволнового излучеСпособ микроволновой газовой спектрометрии заключается в том, что через ячейку с исследуемым газом пропускают частотно-модулируемое микроволновое излучение и измеряют е. о на выходе ячейки. Цель достигается тем, что измерение осуществляют путем синхронного детектирования опорного сигнала, который задерживают на величину, соответствующую разности фаз между опорным сигналом и детектируемым/излучением, равной и/2, при пропускании частотно-модулируемого микроволнового излучения через ячейку без исследуемого газа, а период частотной модуляции микроволнового излучения выбирают из соотношения , с 1/ЬЫ, где ЬЯ- наибольшая из однородных ширин спектральных линий. 1 ил. ния, ячейку 2 с исследуемым газом,смеситель 3, усилитель 4, синхронныйдетектор 5, опорный блок 6 задержки,частотный модулятор 7, другой выходкоторого подключен к входу источника .1, регистратор 8. В качестве ячейки2 может быть использован волновод,вакуумируемый с помощью тефлоновыхокон, в качестве блока 6 - регулируемая линия задержки,Поставленная цель достигаетсятем, что через ячейку с исследуемымгазом пропускают частотно-модулируемое микроволновое излучение и измеряют его на выходе ячейки, причем измерение осуществляют путем синхронногодетектирования опорного сигнала, который задерживают на величину, соответствующую разности фаз между опорНым сигналом и детектируемым излулчением, равной 1(/2 при пропускании частотно-модулируемого микроволнового излучения через ячейку без исследуемого газа, а период частотной модуляции микроволнового излучения выбирают изсоотношения с с 1/ЬЯ, гдеДЯ - наибольшая из однородных ширин спектральных линий. 10,Сущность предлагаемого способа заключается в том, что он позволяет в 15 Качестве полезного сигнала использовать нестационарный сигнал от исследуемой спектральной линии, что и обеспечивает при осуществлении синхронного детектирования в соответст вии с предлагаемым способом исключение регистрации паразитного сигнала, являющегося стационарным сигналом.Поскольку модуляция по частоте микроволнового излучения осущест нляется с периодом с . 1/ДЯ, полезлным сигналом (сигналом от исследуемой линии) является когерентное спонтанное излучения (КСИ) молекул, обусловленное распадом наведенной в газе 30 волны поляризации под воздействием Проходящего через газ микроволнового излучения. При"- 1/ЬЯ разность фаз между наведенной поляризацией и вызвавшим ее микроволновым излучением 35 Меньше 7 и полезный сигнал является нестационарным сигналом.Однако добротность О и паразитных сигналов, обусловленных интерференцией микроволнового излучения в ячей ке и приемном "тракте, на 3-4 порядка меньше добротности любой из исследуемых спектральных линий поглощения газа. Следовательно, при ь - 1/ДЫдля паразитных сигналов справедливо соот ношение 01/Д 63 где Я и = Я/Оп, круговая частота микроволнового излучения.Соотношение (, г 1/Д 63 р показывает, что паразитный сигнал является стационарным сигналом, поэтому разность фаз между ним и сигналом поступающего в ячейку микроволнового излучения равна ( . То, что полезный и паразитный сигналы имеют разные 4 азовые соотношения с сигналом пропускаемого через ячейку с газом мик- роволнового излучения можно учесть при синхронном детектировании принимаемого сигнала и исключить паразитный сигнал при регистрации полез -.ного сигнала,Для этого необходимо осуществитьсинхронное детектирование сигнала,полученного при пропускании микроволнового излучения через ячейку в отсутствие в ней исследуемого газа, Регистрируемая в этом случае зависимость от частоты интенсивности принятого излучения обусловлена лишьотражениями и интерференцией излучения в ячейке и приемном тракте, Этопозволяет подобрать такую временнуюзадержку Т = 1опорного сигнала,при которой детектированный сигналравен нулю (в этом случае фазы опорного и детектируемого сигналов отличлны на п /2), После этого осуществляясинхронное детектирование с выбраннойзадержкой 1 при прохождении микроволнового излучения через ячейку с исследуемым газом, можно обеспечить от -сутствие в детектированном сигналесоставляющей, обусловленной паразитнымсигналом, и регистрировать только составляющую, обусловленную полезнымсигналомВ конкретном примере выполненияспособа анализируется газ ОСИ: переход 1 = 6 ф 7, 7 = 72,978 ГГц, гдеЧо - центральная частота перехода.Способ реализуют следующим обра зом.Предварительно через ячейку 2 вотсутствие в ней исследуемого газапропускают перестраиваемое и модулируемое по частоте микроволновоеизлучение источника 1, Модуляцию почастоте с периодом с,1/ЬЯ излученияисточника 1 осуществляют с помощьючастотного модулятора 7. В конкретном примере реализации способа микроволновое излучение перестраивают вЛгдиапазоне 53 - 78 ГГц с периодом с10 мкс (ЬЯ= 100 кГц). Излучениена выходе ячейки 2 принимают смесителем 3 и через усилитель 4 подаютна сигнальный вход синхронного детектора 5, на опорный вход которого черезблок 6 задержки поцают опорный сигналот частотного модулятора 7, Выходнойсигнал синхронного детектора 5, пропорциональный сигналу, обусловленному интерференцией и отражениями микроволнового излучения в ячейке и приемном тракте, регистрируют регистратором 8. Регулируя посредством блока5 1 6 время т задержки опорного сигнала относительно детектируемого сигнала, подбирают такое время Сзадержки, при котором отсутствует сигнал на выходе регистратора 9. Это свидетельствует о том, что разность фаз между опорным и детектируемым сигналами равна 1( /2, т.е. детектор 5 не регистрирует сигнал, обусловленный интерференцией и отражениями излучения в ячейке и приемном тракте. Затем перестраиваемое в том же диапазоне частот и модулируемое по частоте с тем же периодом с микроволновое излучение источника 1 пропускают через ячейку 2 с исследуемым газом( и при установленном времени 1 осуществляют синхронное детектирование излучения на выходе ячейки 2.При совпадении частоты излучения источника 1 с частотой исследуемой линии в газе возникает волна поляризации, обуславливающая КСИ молекул газа, В результате на смеситель поступает прошедшее ячейку 2 излучение источника 1 и КСИ молекул. Выходной сигнал смесителя 3, пропорциональный принятому излучению, подают на сигнальный вход синхронного детектора 5, на опорный вход которого, подают выходной сигнал блока 6(задержки. Поскольку время 1. задержки выбрано такой величины, что разность фаз между опорным сигналом и составляющей детектируемого сигнала,589166 6обусловленной паразитным сигналом,равна к /2, на выходе синхронногодетектора 5 эта составляющая отсутствует и регистратором 8 регистрируют лишь составляющую детектируемого сигнала, несущую информацию обисследуемой линии.Использование .предлагаемого способа позволяет получить высокую чувствительность и широкую спектроскопическую информацию. Формула и э о б р е т е н и я15Способ микроволновой газовой спектрометрии, заключающийся в .том, чточерез ячейку с исследуемым газом. пропускают частотно-модулируемое 2 О микроволновое излучение и измеряютего на выходе ячейки, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повыщения чувствительности, измерениеосуществляют путем синхронного де тектирования опорного сигнала, который задерживают на величину, соответствующую разности фаэ опорногосигнала и детектируемого излучения,равной 1/2, при пропускании частотномодулируемого микроволнового излучения через ячейку без исследуемогогаза, а период частотной модуляциимикроволнового излучения выбираютиз соотношения с - 1/ЬЯ, где ДЯнаибольшая из однородных ширин спектральных линий.1589166 Редактор Е.Копча Корректор жо одписно и ГКНТ СЧС го из етени шская роизводственно-издательсй кцмбцпт "Патент", г, Ужгород, ул. Гагарина, 101 Заказ 2536 ВНИИПИ Госуд