VI.2. АППАРАТУРА
                    VI.2.1. Источники зондирующего излучения
                    VI.2.2. Приемники излучения
                    VI.2.3. Схемы абсорбционных газоанализаторов

VI.2. АППАРАТУРА

     Важнейшие элементы абсорбционных газоанализаторов - это источники и приемники зондирующего излучения; их мы и рассмотрим наиболее подробно. Оптические схемы газоанализаторов довольно просты и мы остановимся лишь на общем описании некоторых из них.

VI.2.1. Источники зондирующего излучения

     Для решения разнообразных задач в абсорбционных газоанализаторах используют различные источники зондирующего излучения: газоразрядные, тепловые, когерентные. По характеру излучения их можно разделить на источники сплошного, линейчатого и монохроматического излучения в УФ-, видимом и ИК-спектральном диапазонах.

     Тепловые источники характеризуются сплошным спектром излучения в ИК диапазоне, высокой стабильностью излучаемой мощности, малым потреблением энергии и большими сроками эксплуатации. Используют несколько разновидностей таких источников:

глобар, представляющий собой стержень из карбида кремния; рабочая температура ~1300^oК;
штифт Нернста, представляющий собой стержень, содержащий смесь оксидов циркония, тория, иттрия; обычная рабочая температура ~1700^oК;
лампы накаливания с вольфрамовой или нихромовой спиралью, нагретой до 1000^o-1100^oК, излучающие в видимой и ближней ИК-областях спектра [208, 209].

     Газоразрядные источники характеризуются линейчатым спектром излучения в УФ-, видимом и ближнем ИК-диапазоне длин волн, а также сплошным спектром в УФ-области спектра. К источникам этого типа относятся:

водородные [210] или дейтериевые [195, 211] лампы, представляющие собой стеклянные колбы с кварцевыми окошками, заполненные газом при давлении в несколько сотен Па; лампы являются источниками сплошного спектра в видимой и УФ (до 200 нм)-областях спектра;
высокочастотные безэлектродные лампы, заполненные инертным газом при давлениях в несколько сотых долей Па и веществом - источником атомных паров [212, 213]; лампы являются источниками линейчатого спектра излучения в видимой и УФ-области;
ртутные газоразрядные лампы низкого, высокого или сверхвысокого давления, представляющие собой кварцевые трубки с впаянными электродами и заполненные аргоном и ртутью; лампы являются источниками линейчатого спектра излучения, наиболее интенсивные линии которого имеют длины волн: 253,7; 313; 314; 365,5; 404,7; 435,8; 546,1; 577 и 579,1 нм [214, 215];
лампы с полным катодом [199, 216, 217], являющиеся источниками линейчатого спектра излучения, характер которого определяется элементами, входящими в состав катода или напыленного на его поверхность материала; атомы, образовавшиеся при испарении материала нагретого катода или вследствие распыления его поверхностных слоев под воздействием ионной бомбардировки, возбуждаются в тлеющем разряде постоянного тока в буферном газе; эти лампы используют при анализе воздуха на содержание металлических примесей в виде металлоорганических соединений, аэрозолей и паров (например ртути [218]).

     Монохроматические источники - оптические квантовые генераторы, излучающие отдельные линии в видимой и ИК-областях спектра в режиме импульсной или непрерывной генерации. Источники такого типа позволяют перестраивать частоту излучения либо непрерывно в некотором диапазоне длин волн, либо дискретно на нескольких фиксированных частотах:

газоразрядный СО-лазер с генерацией излучения в области 5-6 мкм мощностью несколько мВт [219];
газоразрядный He-Ne-лазер с генерацией излучения, перестраиваемого дискретно на длинах волн 3,39; 4,22; 5,4 мкм, мощностью 0,5-5 мВт [220, 221];
лазеры на красителе (ЛК), излучающие на длинах волн от 0,4 до 0,6 мкм [188, 196];
светодиоды на основе твердых растворов полупроводниковых соединений типа InGaAs и InAsSbP, излучающие в диапазоне 2,6-4,7 мкм; мощность непрерывного излучения порядка сотен мкВт, а импульсного - нескольких мВт [222];
полупроводниковые диодные лазеры типа PbS_1-xSe_x, и Pb_1-xSn_xSe, генерирующие в диапазоне 3-30 мкм; лазеры обеспечивают непрерывную перестройку узкой линии генерации (Dl ~ 10^-6 см^-1) за счет изменения тока питания и температуры полупроводникового элемента в диапазоне до 1000 см^-1 [223].

     В заключение упомянем о специфическом источнике излучения -СВЧ-генераторе (клистроне) с частотой 10 - 25 ГГц, используемом в некоторых газоаналитических задачах [202, 224].

     Таким образом, применяемые в абсорбционных газоанализаторах источники зондирующего излучения охватывают широкую область спектра. Наиболее перспективно с нашей точки зрения применение диодных полупроводниковых лазеров, позволяющих сканировать узкую линию излучения в сравнительно большом диапазоне длин волн и генерирующих в области спектра, перекрывающей колебательно-вращательные полосы поглощения большинства газообразных молекул. Эти характеристики источника зондирующего излучения обеспечивают хорошую основу для достижения высокой селективности и универсальности газоаналитических методик.

VI.2.2. Приемники излучения

     Используемые в абсорбционных газоанализаторах приемники лучистой энергии можно разделить на две группы: тепловые и фотоэлектрические.

     Тепловые приемники служат для детектирования излучения в ИК-области спектра (< 30 мкм). К этой группе приемников относятся термоэлементы, представляющие собой биметаллические устройства, при нагревании которых возникает э.д.с., пропорциональная температуре нагрева, а также болометры, представляющие собой сопротивления с большим температурным коэффициентом сопротивления. Тепловые приемники малоэффективны при измерении малых изменений мощности зондирующего излучения и обладают относительно большой инерционностью. В качестве положительных свойств можно указать на слабую зависимость чувствительности от длины волны регистрируемого излучения в рабочем диапазоне и удобство в эксплуатации.

     Фотоэлектрические приемники используют для детектирования излучения в УФ-, видимой и ИК- (до 14 мкм) областях спектра. Эту группу приемников можно разделить на фотоэлементы с внешним и внутренним фотоэффектом.

     Первые обычно служат приемниками излучения в УФ- и видимой областях спектра. Принцип действия таких детекторов, называемых фотоэлектронными умножителями (ФЭУ), основан на эмиссии с фотокатода электронов, приобретающих от фотонов энергию, превышающую работу выхода с поверхности фотокатода. Образовавшиеся электроны ускоряются в электрическом поле и множатся на системе электродов - ускоряющих динодах. Сигнал ФЭУ, таким образом, пропорционален интенсивности излучения попадающего на фотокатод приемника. Наиболее широкое распространение получили ФЭУ с Sb-Cs-фотокатодом с максимальной чувствительностью в области от 160 до 650 нм; с мультищелочным фотокатодом - от 400 до 870 нм; с Ag-Cs-фотокатодом - от 400 до 1300 нм. Постоянная времени ФЭУ составляет »10^-8-10^-10 с, чувствительность »10^-14 Вт.

     Фотоэлектрические приемники с внутренним фотоэффектом обычно используют для регистрации излучения в ИК-области спектра. Принцип действия рассматриваемых детекторов основан на способности полупроводниковых элементов изменять свою проводимость при поглощении фотонов. В качестве таких приемников используют, например, PbS-фотосопротивления с чувствительностью в области <4 мкм или InSb с чувствительностью в области <7,5 мкм, работающие как при комнатной (293 К), так и при пониженных (273 К) температурах. В более широком спектральном диапазоне (<14мкм) могут работать детекторы типа PbSnTe или HgCdTe, но только при криогенных ( 77 К) температурах.

     Таким образом, применяемые в абсорбционных газоанализаторах приемники зондирующего излучения охватывают широкую область спектра - от 0,2 до 30 мкм. Следует отметить, что все рассмотренные приемники являются неселективными и за исключением тепловых обладают заметной зависимостью чувствительности от длины волны регистрируемого излучения.

VI.2.3. Схемы абсорбционных газоанализаторов

     Простейшая схема абсорбционного газоанализатора включает:

источник зондирующего излучения;
оптическую систему формирования пучка излучения;
кювету с анализируемой газовой смесью;
систему фильтров или монохроматор для выделения нужной области спектра излучения;
приемник излучения;
блок формирования и обработки сигнала.

     В разд. VI.1 мы рассмотрели различные способы формирования аналитического сигнала с использованием различных коррелирующих элементов, помещаемых за абсорбционной кюветой перед приемником излучения. Кюветы с анализируемой газовой смесью имеют размеры от 1 до 500 см и часто конструируются таким образом, что обеспечивают многократное прохождение зондирующего излучения через анализируемый газ. За счет этого удается значительно увеличить толщину поглощающего слоя (например, до 720 м [187]).

     Чаще всего для решения различных газоаналитических задач используют дифференциальную схему, оптическая часть которой содержит два канала с рабочей и опорной (сравнительной) кюветами. Принципиальная схема газоанализатора представлена на рис. VI.1,а. Более подробно некоторые промышленные газоанализаторы такого типа с газоразрядными источниками излучения рассматриваются в работе [190, С. 165].

Рис. VI.1. Схема дифференциального абсорбционного газоанализатора с газоразрядным (тепловым) (а) и лазерным (б) источниками зондирующего излучения: 1 - газоразрядный или тепловой источник зондирующего излучения; 2 - оптическая система формирования пучков излучения; 3, 8 - рабочие кюветы; 4, 9 - опорные кюветы; 5- фильтры; 6 - приемники излучения; 7- полупроводниковый лазер; 10 - диспергирующий элемент; 11 - фотоприемники      Принципиальный вариант газоанализатора с лазерными источниками излучения приведен на рис. VI.1,б. Излучение с противоположных граней кристалла полупроводникового лазера 7 проходит через рабочую кювету с анализируемым газом 8, опорную кювету 9 с газом известного состава и регистрируется фотоприемниками 11. Диспергирующий элемент 10, в качестве которого используется монохроматор, служит для селекции мод лазера и выделения определенных участков спектра излучения.      Нами кратко рассмотрены лишь основные принципиальные схемы абсорбционных газоанализаторов. В разд. VI.3 при описании различных газоаналитических методик уделяется внимание и некоторым особенностям аппаратурных схем анализаторов.      Немец В.М. и др. Спектральный анализ неорганических газов / В.М. Немец, А.А. Петров, А.А. Соловьев. - Химия, 1988 - 240 с.: ил. (отдельные главы)