Способ определения полуширины и интенсивности линий поглощения газов

11598392 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз Соеетских Социалистических Республик(45) Дата опубликования оп сударстееииык комите ллетень20ания 30,05.79(53) УДК 535.8(088 по делам изобретеии и открытий(72) Авторыизобретени П, Зеге и И. Л. Каце Заявител ена Трудо о Красного Знамени институт физикиАН Белорусской ССР(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛУШИРИНЪИНТЕНСИВНОСТИ ЛИНИЙ ПОГЛОЩЕНИЯ ГАЗОВущност особа заключается в следу щем.Световой импульслое газа с лоренцоон туроми = 1+4 распроским д аняется в ерсионным с - )а 2 де 3=интенсивность гд Л = у/2 л - пол уширин с - скорость света в вак Исследования показыв лой газа (трассу) длиноточно короткий световойбы были выполнены усл а линии;ууме.ают, что,й г послатимпульс товия сли на достак, чтоа слои газаветовой им Изобретение относится к области спектроскопии газов и атмосферной оптики.Известны способы определения спектрального контура, полуширины и интенсивности линий поглощения газов, основанные 5 на измерении коэффициента пропускания монохроматического излучения слоем газа при последовательном сканировании длины волны излучения 1.Наиболее близким к предлагаемому яв ляется способ определения полуширины и интенсивности линий поглощения газов, основанный на том, что излучение перестраиваемого по частоте лазера направляют на слой исследуемого газа и регистрируют ин тенсивность прошедшего через слой исследуемого газа излучения, по зависимости которой от длины волны судят об исследуемых параметрах 21,Но при таких способах наблюдаются 20 большие затраты времени на измерения и недостаточная точность определения искомых параметров для узких спектральных линий.Цель изобретения - обеспечение экс прессности измерения и повышение точности определения характеристик узких спектральных линий.Это достигается тем, что ннаправляют пикосекундный с пульс, регистрируют зависимость интенсивности прошедшего излучения от времени, по которой судят об исследуемых парамет- рах, - центральная частота контура. исимость коэффициента поглощен от частоты в этом случае имеет видЪ 1,1 и, - и,1, (4)симпто интенсивность прошедшего излучения вмомент времени )5 гс (асими) 2/4 описывается формулойу.=А , - 1 т,сов (р 4 овв - ) 151ГДЕ Л 1 пмп - ДЛ 1 ТЕЛЬНОСТЪ ПОСЫЛаЕМОГО ИМпульса;с - несущая частота падающего импульса;Л - множитель, зависящий от энергииисходного сигнала, но независящий отвремени 1,В формулах (4), (5) и далее считается,что у измеряется в см - , 5 - в см -км - .Отмстим, что величина т=45 г/у в (4)представляет собой оптическую плотностьтрассы длиной г на центральной частоте=ъс линии поглощения. Время 1 в (5) отсчитывается от момента прихода началаимпульса в конечную точку трассы.Из формулы (5) следует, что при выполнении условий (4) временная зависимость 1 не зависит от исходного световогоимпульса, определяющего лишь величинуинтенсивности. Поэтому в соответствии сформулой (5) по регистрируемой временной зависимости интенсивности прошедшего излучения можно определять полуширину и интенсивность линии поглощениягаза.На чертеже в логарифмическом масштабе показана зависимость 1 от 1 при у=0,6;45 г",сними = 0,04; = 50. Видно, что интенсивность излучения осциллирует во времени.ЗНаЧЕНИЯ МОМЕНТОВ ВРЕМЕНИ с 1 И 1, В КОТОрыс интенсивность минимальна, связаныс интенсивностью линии уравнениемгде а=1, 2.Следовательно, измерив зависимость 1 от 1и определив на графике моменты времени11 и 12, можно найти интенсивность линиисогласно соотношению5. -. (7)4 г С( 1 -в 1)Из (5) и (7) следует, что, зная 11 и 12,можно найти моменты времени13 = 3,06 ( 2 - )l 1,), 14 = 2,471 д (8) удовлетворяющие условию сове )Г 45 в 1++ - " =1, и, определив по графику интенсивности 1 з и 14 в моменты времени 1 з и 14, найти полуширину линии поглощения по соотношению д = 1 =-1 п -- 1,36, (9) 2 п спзВ таблице для разных значений оптиче 5 45 гской плотности т= приведены основные характеристики временной зависимости интенсивности излучения су (1 р - 1)су(14 - 1 з), отношение интенсивностей 141 э, 11 - отношение интенсивности в момент времени 1, к амплитуде исходного светового импульса при суМимп=0,04, При увеличении суМпмп величина т) возрастает пропорционально суЛ 1 имп). Эти данные позволяют оценить основные требования, предьявляемые к аппаратуре для реализации предлагаемого способа: временное разрешение, динамический диапазон измеряемых интенсивностей, чувствительность.20 Можно показать, что оптимальная дляизмерений длина трассы находится в ин 1 1тервале Раз.25 сМимп 5 сЬимн25 ность времени между минимумами 1, - 1, = 10 Иимп при 1 5 с олимп 20 сддимп пр30 25 сЫмт. е. временное разрешение регистрирующей аппаратуры должно быть порядка 1 римпП р и м е р. Для определения параметровлинии вращательной структуры А - полосы атмосферного кислорода на слой газа посылается импульс длительностью Ыимп- :4 10 - " с. Тогда, выбирая трассу длиной г=2,5 км и регистрируя временную зависимость интенсивности прошедшего излучения по графику этой зависимости, находим положения минимумов 11=1,83 10 - "с и 1,=5,67 10 - ", по соотношениям (8) вы числяем моменты времени 13=3,2 10-" си 14=7,9 10 - " с, далее по графику находим интенсивности 1 З=2,6 10 - з и 14 -- 2,710 -и по соотношениям (7) и (9) определяем значения интенсивности линии 5= =3,15 см -км -и полуширины линии Л= 0,102 см-.Погрешность определения полуширинылинии в данном случае равна 0,002 см - , в то время, как для существующих способов (для прототипа) погрешность составляет 0,01 - 0,05 см - . Важно, что в отличие от прототипа, способ применим тем лучше и, следовательно, его преимущества тем значительнее, чем меньше полуширина спектральной линии, Действительно, если, например, при постоянстве интенсивности линии 5 уменьшается величина 1 у, то увеличивается величина т=45 г/у и, следовательно (см. табл.), уменьшается перепад 65 интенсивностей между максимумами при598392 45Оптическая плотность,т Характеристики временнойзависимости интенсивностиизлучения 20 30 100 0,7 0,35 1,75 3,5 с 1 (г, - ) С 1 (4 3) 2,510 - 31,4 10 1,25 0,5 0,25 6,5 10 2,1 10 3 10 2,5 10,8 10 7 5 103 9 10 - з 30 4 с(1 12 - 1 11) сохранении требуемых временных разрешений аппаратуры и трассы длиной г. С другой стороны, в этом случае можно увеличить длительность импульсов Ми уменьшить трассу и, тем самым, увеличить разность времени между минимумами (и максимумами) при сохранении перепада интенсивностей.Кроме того, способ обеспечивает экспрессность измерений за счет посылки 10 лишь одного светового импульса. Формула изобретенияСпособ определения полуширины и интенсивности линий поглощения газов, осно ванный на том, что излучение направляют на слой исследуемого газа и регистрируют интенсивность прошедшего через слой исследуемого газа излучения, по которому судят об исследуемых параметрах, отл и ч аю щ и й с я тем, что, с целью обеспечения экспрессности и повышения точности определения характеристик узких спектральных линий, на слой газа направляют пикосекундный световой импульс, регистрируют зависимость интенсивности прошедшего излучения от времени и определяют интенсивность и полуширину линии поглощения газа из следующих соотношений: Л =1 п -- 136 0,34 Г С "3 4 где 5 - интенсивность линии поглощения;- полуширина линии;г - длина трассы;с в скорос света;1, и 1 - моменты времени, соответствующие двум соседним минимумамзависимости ин тенсивности излучения от времени;1 з = 3,06 (Р 12 - У 1)- моменты време.и 14 -- 2,471 з ни, в которые определяются значения интенсивностей 13 и 14,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Адике Т, Г., Дианов-Клоков В. И. Известия АН СССР, т. 1 У, ЛЪ 10, 1968. СерияФизика атмосферы и океана.2. Годлевский А. П., Зуев В. Е., Лопасов В. П., Макагон М. М. Тезисы докладовВсесоюзного симпозиума по молекулярнойспектроскопии высокого и сверхвысокогоразряжения, Томск, 1972,598392 Составитель С. Соколовактор Т. Колодцева Техред А. Камышникова Корректор 3. Тарасова Типография, пр. Сапунова,Заказ 2025/3НПО Поиск Изд,338 Тираж 779сударствеппого комитета СССР по делам изоб 113035, Москва, 7 К.35, Раушская иаб д. 4/5 Подписноений и открытий