Способ измерения фоновых концентраций молекулярного водорода и устройство для его осуществления

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН С 5)5 С 01 Ю 21 Д ТВЕННЫЙ КОМИТЕТ НИЯМ И ОТНРЫТИЯМ ГОСУ ПО И ИЭОБРЕТЕНИ ОПИСАНИК АВТОРСКОМ ДЕТЕЛЬСТВУ ехр(- -- 1 п(- - ) ) Э Г С А 01 Р 7 с 0 Аур)АР ОгИ=КОг Аг Ь У пг(1+п ГУ) 1 Ь ь г С И/йа ичессвязывающий мощ"ения первого лазерай отклика фотодатэффициентсть излучс амплитудочика;постоянная еленииохи 1 ланка;стота излучени СапуеЦЕруговая ч рого лазераи - показатель на длине воГ - ширина лини лазера; - фактор, учи населенност реломления среды ны второго лазера излучения второг 1+и ывающий разностчи; ссеяния К для водо-,ечен А 2 чины в резо(54) спосоь.измеРения ФОЙОВых конЦЕНГРАЦИЙ МОЛЕКУЛЯРНОГО ВОДОРОДАУСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЦЕСТВЛЕНИЯ(57) 1, Способ измерения фоновых концентраций молекулярного водорода,включающий облучение обьема среды лазерным излучением на частотах И, и Я, разность которых совпадает с частотой вращательных колебаний молекулярного водорода, и регистрацию рассеянного излучения на тех же частотах, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью обеспечения дистанционной регистрации водорода в реальной атмосфере и повышения экспрессности, дополнительно облучают среду излучением на частоте И, с изменением задержки строб-импульса на время прохождения излучения через исследуемый обьем,изменяат частоту излуч ения я скач кооб" разно да получения нерезонансного рас сеяния, регистрируют полученные интенсивности и определяют величину фо" новой концентрации водорода по формуле:Ы 1095784 А 1 рода;1 - длина взаимодействия лучей; ЯИ - концентрация молекул водорода;А - амплитуда импульса с фотоэле аавЪктронного умножителя (ФЭУ) надлине волны первого лазера;амплитуда импульса с ФЭУ на Одлине волны второго. лазера; СЛ0- амплитуда импульса с фотодатчика а длине волны первого С 0лазера; 4 ь- амплитуда импульса с фотодат"чика на длине волны второго лазера;о - аналогичные велинансном случае;с " время задержки строо-импульса;.бг - изменение времени задержкистроб-импульса.2. Устройство для измерения фоновых концентраций молекулярного водорода, содержащее два лазера, спектро-, граф, два ФЭУ, блок вывода информации, о т л и ч а ю щ е е.с я тем, что оно дволнительно содержит генератор строб-импульса, блок задержки строб- импульса, блок управления длиной волны излучения второго лазера, два фото О датчика, автоколлиматор, четыре преоб" разователя импульсного напряжения, блок математической ооработки и блок ввода программ, при этом оба лазера оптически связаны между соЬой и каждый 1 из них оптически связан с соответствующим фотодатчиком, а автоколлиматор оптически сопряжен со спектрографом, выход блока математической обработки соединен с блоком вывода информации,и 844а входы соединены соответственно с блоком ввода программ, Ьлоком задержки строб-импульса, выходом блока управления длиной волны излучения второго лазера и выходами преобразователей им" пульсного напряжения, входы которых соединены с выходом блока задержки строб-импульса, причем другие входы преобразователей импульсного напряжения попарно соединены с фотодатчиками и ФЭУ, а один.из входов блока, задержки строб-импульса соединен с выходом ге" нератора строб"импульса, оптически связанного с первым лазером, а другой - с одним иэ выходов блока упрдвления длиной волны излучения второго лазера, второй выход которого соединен с вторым лазером.Изобретение относится к областиспектроскопии газов и атмосферной оптики и может быть использовано в част- ЗОмости для измерения содержания молекулярного водорода в водах и приповерхностной атмосФере,Известен способ регистрации фоно"ых концентраций водорода в воде, зак-вчающнйся в извлечении газов растворенных в воде, с помощью камеры спониженным давлением, после чего полученная проба газа пропускается черезхроматографическуа колонку и паступа Еет е теердоэлектролитную ячейку, чувствнтельнув только к двум компонентамсмеси газов: водороду и кислороду,Последний отделяется в хроматографичвской колонке. Приращение тока в цепи ячейки Фиксируется пишущим вольтметРОмаСпособ реализуется с помощью устройства, состоящего из манометраэлектронного Ьлока, форвакуумного на" рсоса, Ьаллона со сжатым аргоном, дозатора, хроматографической колонкиа.колонки для извлечения газов из воды,устройства забора воды, датчика, нагрузочного резистора, пишущего вольтметра, источника тока, водяного насоса.Время анализа определяется временем извлечения газов иэ воды и времекем на копления водорода и соста вляет3"5 мин,Ошибка способа вследствие его многостадийности составляет 20-303,СпосоЬ позволяет измерять концентрацию водорода в воде на уровне10 т об,Ф, но недостаточно экспрессени не обеспечивает дистанционной ре"гистрации водорода в реальной атмосрере,Наиболее близким во техническойсущности к изобретению является способ измерения концентрации молекуляр"ного водородаа. включающий облучениеобьемв среды лазерным излучением начастотах Я, и Я, разность которыхсовпадает с частотой вращательныхколебаний молекулярного водорода, ирегистрацию рассеянного излучения натех же частотах,Способ состоит в пространственномсовмещении в кювете с исследуемым веществом двух лазерных пучков с частотами Я этакими, что я,- И = Й,гда тт " частота конбинационно"ак 1 ианого колебания излучаемых молекул.Вследствие нелинейно-оптических взаи"модействий волн с частотами Я Яна кубической нелинейности комбинационного типа (в центросимметричнойсреде), при амплитудной модуляции счастотой И одной из волн (например,84 6Целью изобретения является оЬеспечение дистанционной регистрации фоновых концентраций водорода в реальнойатмосфере и повышение экспрессностиизмерений,Указанная цель достигается тем,что в спосоЬе регистраци 1 л фоновых концентраций молекулярного водорода,включающем облучение объема среды лазерным излучением на частотах Я, и Я,разность которых совпадает с частстойвращательных колеЬаний молекулярноговодорода, и регистрацию рассеянногоизлучения на тех же частотах, дополнительно облучают среду излучением начастоте 63, с изменением задержкистроб-импульса на время прохожденияизлучения через исследуемый объем, изменяют частоту излучения Я скачкообразно до получения нерезонансногорассеяния, регистрируют полученныентенсивности и определяют величинуоновой концентрации водорода по фор-.муле: где с - скорость света; И - плотность молекул- сечение К изуфаемых молекул; 1 - длина взаимодействия лучей с частотами ЯЯ 2; и - постоянйая Планка; и - показатель преломления среды на частоте Я , 1+и -фактор, учитывающий разность населенностей исследуемых уровней 1+и=1 приТ = 300 К); Г - ширина резонанса;Р, Р 2 - мощности волн с частотами 20Я Я, т,е. величина амплитудной модуляции пропорциональна числу частицН, длине взаимодействия 1, мощностиР "силе" линии К - . в . Регистрация р 5ЭР йосуществляется путем синхронного детектирования на частоте Я излученияс частотой я, выделенного спектральным прибором,гдеСпособ реализуется с помощью устройства, содержащего два лазера,спектрограф, два фотоэлектронных умножителя (ФЭУ), блок вывода информации,Излучение лазеров пространственносовмещается в кювете, при этом амплитуда излучения первого лазера модулируется модулятором, частота модуляции.задается генератором. Оптическое излучение частоты д второго лазера выделяется спектрографом, регистрирует,ся, и после усиления поступает на входсинхронного детектора, выделяющегосоставляющую, соответствующую частотемодуляции Яо амплитуды первого лазера, амплитуда синхронного детектиро. ванного сигнала поступает на блоквывода информации,Ар Рг с А 0 еИ=К- -1ехр -- 1 п( - -") О, 12 Р А а Ьс 0 Ар ф э 2И 2 п 2 (1+и) ГУл 22 д16 вс д 1 дг 510%7 частоты 63 ), амплитуды другой волны также испытывает. модуляцию с частотой Яо , величины которой О Р/Р определяется по формуле:3 Р 2 -2 Й3216 н с И - 1 Ьу и (1+й) Г) РР дР "г 2 Ъ К недостаткам известного техничес" кого решения следует отнести невозможность его использования при дистанционных измерениях, так как исследуемый объем должен находиться между источником и приемником излучения, а также ограниченная чувствительность способа при детектировании малых примесей, в особенности при определении фоновых концентраций водорода,коэффициент, с вязыва ющий мощност ь и злуч ения пер во го лазера с амплитудой отклика фотодатчика;постоянная Планка;круговая частота излучениявторого лазера;показатель преломления сре" ды на длине волны второго лазера;ширина линии излучения второго лазера,"фактор, учитывающий разность населенностей; сечение рассеяния К дляводорода;длина взаимодействия лучей;концентрация молекул водорода;амплитуда импульса с ФЭУ надлине волны первого лазера;амплитуда импульса с ФЭУ надлине волны второго лазера;амплитуда импульса с фото"датчика на длине волны перво"го лазера;) - амплитуда импульса с фотодат 2чика на длине волны второголазера;ААяЭ ,П - аналогичные величины в резонансном случае;время задержки строб-импульса;с - изменение времени задержкистроб-импульса.Бпособ может быть осуществлен устройством, содержащим два лазера, спектрограф, два фЭУ, блок вывода информации, в который дополнительно введены генератор строб-импульса, блок задержки строб-импульса, блок управления длиной волны излучения второго лазера, два фотодатчика, автоколлиматор, четыре преобразователя импульсного напряжения, блок математической обработки и блок ввода программ, при этом оЬа лазера оптически связаны между собой и каждый из них оптицески связан с соответствующим фотодатчиком, а автоколлиматор оптически сопряжен со спектрографом, выход блока математической оЬработки соединен с блоком вывода информации, а входы соединены соответственно с блоком ввода прог рамм, блоком задержки строб-импульса, выходом блока управления длиной волны излучения второго лазера и выходами преобразователей импульсного напряже" ния, входы которых соединены с выходом блока задержки строб-импульса. причем другие входы преобразователей импульсного напряжения попарно соединены с фотодатчиками и ФЭУ, а один из входов блока задержки строб-импульса соединен с выходом генератора строб-импульса, оптически связанного с первым лазером, а второй - с одним иэ выходов блока управления длиной волны излучения второго лазера, второй выход которого соединен со вторым лазеромНа чертеже представлена принципи" альнзя схема устройства. Оно состоит из лазера 1, например импульсного на ИЙУАС , (частота повторения импуль" Сов до 50 Гц), вторая гармоника которого ( Ф = 532 нм) имеет мощность Р = 10 Вт, длительность импульса с = 10 нс, лазера 2 на красителе роИдамин 6 Ж Р = 500 кВт, ширина линии генерации 0,01 см", амплитудная не" ста биль ностьО, 51 блока 3 управления частотой лазера 2, двух фотодатчи" ков 4.1, 4,2 (выполненных, например,И 848в виде фотодиодов или лавинных фото"диодов), двух ФЭУ 5.1, 5. 2, автокол"лиматора Ь, спектрографа /, цетырехстробируемых преоЬразователей 8.1,8,2, 8 3, 8,4 импульсного напряженияв постоянное, генератора 9 строб-импульса, блока 10 задержек стробирующих импульсов, блока 11 математической обработки сигналов, блока 12 ввода программ обработки и блока 13 вывода информации в реальном масштабе времениУстройство работает следующим образом,Варьируя угол между лучами с частотами Я, и Я совмещают их в объеме, намеченном для анализа, При этомв блоке 10 задержки стробирующих им 20 пульсов устанавливают задержку строОируюцего импульса, поступающего напреобразователи 8.3, 8.4, подключенные к ФЭУ 5, 1 и 5.2, соответствующуюрасстоянию до области пересечения ла"р 5 эерных лучей.Частота Я лазера 2 изменяетсяпри помощи блока 3 управления частотой скачкообразно, причем, если в од"ном импульсе условие Я, - Я = ЙЗ где Д- вращательная линия комбинационного рассеяния водорода, выполняет"ся точно, то в следующем импульсе расстройка от этого резонанса должна бытьтакова, чтобы имел место нерезонансный случай Для типичных значений шиЗ 5 рины резонансных линий молекулярноговодорода Г с 0,01 см и типичных значений ширины спектра выходного излучения лазера 2 на красителе Г В 0,01 смвидно, что вполне достаточна отстройфо ка на одну ширину линии генерациилазера,Блок управляет также и временемзадер)нки стробирующего импульса, по"ступающего на преобразователь 6.3,4 соединенный с ЮЭУ ),1, регистрирующимизлучение на длине волны лазера 1,Времл задержки выбирается таким, чтов случае тэцного резонанса время задержки должно точно соответствовать56 времени прохождения светового сигнала от зоны пересечения лучей лазеровдо ФЭУ, а в случае отсройки это времяотлицается на некоторую величину 6 с,причем велицину Ьс легко оценить из55 следующих сооЬражений. Время задержкик определяет местоположение эоны, рассеянный свет иэ которой подвергаетсяанализу. Изменение этого времени необходимо для определения коэффициента910.95/поглощения излуцения лазера 1, т,е.величинас должна быть наименьшейдля того, чтобы можно было пренебречьлокальными изменениями коэффициентапоглощения. 8 реальных условиях можно5принять величину 6 г равной длительности строЬнрующего импульса,Сигналы со всех преобразователей8, 1-8,4 с блока 10. временных задержеки с блока 3 управления частотой подаются в блок И математической оЬра- .ботки, в кацестве которого можно ис"пользовать микро-ЭВМ, Величины Р и .Р представляют собой мощности лазер"нйх пучков в зоне пересечения, поэто-.му необходимо знать все потери энергии лазерного излучения на пути от из"лучателя до места пересечения и обратно. Для этого предусмотрено пере"ключение времени задержки стробирующего импульса и частоты лазерного из-,лучения Я, В эксперименте известны;амплитуды электрических импульсовпоступающих с датчиков, Обозначим;А - амплитуда импульса с первогоФЭУ, регистрирующего излуче"ния на длине волны лазера 1;Ае -. амплитуда импульсов со второго ФЭУ, регистрирующего излучения на длине волны лазера 2;Э- амплитуда импульса фотодатчика 4.1 лазера 1;Э - амплитуда импульса с фотодатгчика 4.2 лазера 2. В случае резонанс:к этим обознацениям добавляется индекс. "р". Ы10В блоке математической обраЬотки происходит обработка сигналов по программе, реализующей следующую формулу:(3) У - коэффициент, связывающий мощность излучения лазера 1 с амплитудой отклика фотодатчика, который находится по измерениям.Для увеличения точности измерения концентрации водорода применяется усреднение результатов по нескольким импульсам.Применение изобретения, его новой методики дистанционной регистрации с. использованием нового устройства позволяет получить экспресснуа и точную, информа 4 ие о Фоновом содержании концентрации водорода в атмосфере. Зкс" прессность способа превыает экспрессиость ныне применяемых способов более чем на два порядка что, в свою очередь, определяет вйсокое пространственное разреение способа, позволяющее наблюдать "пятнистую" структуру распределения. водорода над поверхностьа Земли и в природных водах в натурных экспериментах.Реда к и при ГКНТ СССР одственно"издательский комбинат "Патент", г, Ужг ул. Гагарина, 101 П ЗаказВНИИПИ Шарганова Техред И, Попоаиц . Корректор И. Самборс 12 . Тираж Подписи осударственного коиитета по изобретениям и открыт113035, Москва, Ж"35, Раушская наб., д. 4