Реферат

где Iп, I0 – интенсивность поглощенного и зондирующего излучений; k(v) – спектральный коэффициент поглощения; L- толщина поглощающего слоя газа. Поглощение газовой средой зондирующего излучения строго описывается данным выражением лишь в условиях монохроматичности излучения, независимости коэффициента поглощения от частоты и концентрации поглощающих частиц и при отсутствии фотохимических реакций в газовой среде. Вычисление концентрации поглощающих частиц возможно путем измерения величины k(v), характеризующей интенсивность линии поглощения, и параметров контура линии поглощения. Для расчета необходимо также использовать в качестве исходных предпосылок те или иные теоретические приближения, описывающие форму спектральных линий в зависимости от условий эксперимента. В реальных условиях прямое исследование контура линии поглощения представляет весьма сложную задачу. Поэтому на практике при определении концентраций атомов и молекул измеряют интегральную интенсивность линий (полос) поглощения. Аналитический сигнал в этом случае определяется разностью интенсивностей зондирующего излучения до и после кюветы с поглощающей газовой средой. Аналитическую связь между изменением интенсивности зондирующего излучения и концентрацией поглощающих частиц находят экспериментально и используют в виде градуировочных графиков

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 К; штифт Нернста, представляющий собой стержень, содержащий смесь оксидов циркония, тория, иттрия; обычная рабочая температура ~ 1700 К; лампы накаливания с вольфрамовой или нихромовой спиралью, нагретой до 1000-1100 К, излучающие в видимой и ближней ИК-областях спектра. 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 или дейтериевые 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; лампы являются источниками линейчатого спектра излучения в видимой и УФ-области; ртутные газоразядные 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; лампы с полным катодом 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). 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; газоразрядный Не-Nе-лазер с генерацией излучения, перестраиваемого дискретно на длинах волн: 3,39; 4.22; 5.4 мкм, мощностью 0,5-5 мВт; лазеры на красителе (ЛК), изучающие на длинах волн от 0,4 до 0,6 мкм; 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 ; полупроводниковые диодные лазеры типа PbS1-xSеx и Рb1-xSnxSе, генерирующие в диапазоне 3-30 мкм; лазеры обеспечивают непрерывную перестройку узкой линии генерации за счет изменения тока питания и температуры полупроводникового элемента в диапазоне до 1000 см-1. График гауссиан в зависимоти от температур для диода LED46 приведен ниже:

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

Приемники излучения

Используемые в абсорбционных газоанализаторах приемник и 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 ЭДС, 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 приемник и 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-Сs-фотокатодом с максимальной чувствительностью в области от 160 до 650 нм; с мультищелочным фотокатодом - от 400 до 870 нм; с Ag-Сs-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 (<14 мкм) 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 исключение тепловых обладают заметной зависимостью чувствительностью от длины волны регистрируемого излучения.

Литература

      1. «Моделирования оптического канала» методические указания к расчетной работе из курса «Современные направления электроники», составитель Хламов М.Г.- Донецк: Доннту, 2002. - 33 с2.

      2. Бреслер П. И. «Оптические абсорбцийни газоанализаторы и их приложение». - Л.: Энергия. Ленингр. отд-ние, 1980. - 164 с., ил.

      3. Зуев В.Е. «Распространение видимых и инфракрасных волн в атмосфери»- М.: «Советское радио», 1970.

      4. Немец В.М.,Петров А.А., Соловйов А.А. «Спектральный анализ неорганических газов» -химия, 1988 - 240 с., ил.