Фототермический газоанализатор

Фототермический газоанализатор относится к оптическим измерительным устройствам, в частности, к устройствам для измерения концентраций газовых примесей и может быть использован для измерения следовых концентраций в составе воздуха, в частности, например, следовых концентраций газов-маркеров заболеваний в составе выдыхаемого воздуха. Устройство содержит источник возбуждающего излучения с модулятором и последовательно расположенные источник считывающего излучения, отделение для проб газов и позиционно-чувствительный фотоприемник. Новым в устройстве является то, что на пути считывающего излучения дополнительно установлены перед отделением для проб газов коллиматорный объектив, а после него фокусирующий объектив, а позиционно-чувствительный датчик выполнен в виде последовательно расположенных ножа, объектива, щелевой диафрагмы и фотоприемника, причем кромка ножа и щелевая диафрагма ориентированы в одном направлении, а ширина диафрагмы d выбирается из условия d3(a/·f)^1/2, где а - температуропроводность пробы газа; f - частота модуляции возбуждающего излучения. Щелевая диафрагма снабжена устройством для ее перемещения перпендикулярно кромке ножа. Отделение для проб газов содержит плоские зеркала для многократного прохождения через него возбуждающего излучения в плоскости параллельной кромке ножа. На пути возбуждающего излучения перед отделением для проб газов установлена ограничивающая шторка, перекрывающая часть излучения параллельно или под углом к кромке ножа.

Полезная модель относится к оптическим измерительным устройствам, в частности, к устройствам для измерения концентраций газовых примесей и может быть использована для измерения следовых концентраций в составе воздуха, например, следовых концентраций газов - маркеров заболеваний в составе выдыхаемого воздуха.

Известно фототермическое устройство для измерения концентраций газовых примесей в составе воздуха, содержащее источник возбуждающего излучения - СО ₂ лазер с модулятором излучения, источник считывающего излучения - He-Ne лазер непрерывного действия, рабочий объем для изучаемого газа, в котором возбуждающий и считывающие лучи пересекаются под малым углом и, после этого, позиционно-чувствительный приемник в составе ножа и расположенного за ним одноэлементного фотодиода [1]. Нож частично перекрывает излучение He-Ne лазера.

Излучение возбуждающего источника частично поглощается газом, через который оно проходит. При этом в газе возникает периодически изменяющийся во времени градиент температуры, а следовательно, и показателя преломления. Для увеличения плотности тепловыделений возбуждающее излучение дополнительно фокусируют в рабочий объем. Считывающее излучение, проходя через градиентную зону, периодически отклоняется, и на выходе позиционно-чувствительного приемника возникает электрический сигнал, пропорциональный коэффициенту поглощения или, иначе, концентрации определяемого газа. Величина развиваемого таким позиционно-чувствительным приемником сигнала, при прочих равных условиях, пропорциональна диаметру пучка излучения в плоскости ножа. У He-Ne лазеров диаметр пучка излучения обычно составляет 1-1,5 мм. Т.к. никаких мер для уменьшения диаметра не применяли, в данной конструкции остался нереализованным этот вариант повышения чувствительности.

Кроме того, использование сфокусированного возбуждающего излучения хотя и несколько повышает чувствительность схемы, но при этом исключает возможность реализации многократного прохождения возбуждающего излучения через рабочий объем, являющегося более эффективным путем повышения чувствительности. Длина взаимодействия возбуждающего и считывающего лучей составляла в этом устройстве 10 см, при фокусном расстоянии вогнутого зеркала, фокусирующего возбуждающее излучение, равным 1,0 метру, т.е. устройство обладало большими габаритами.

Известно фототермическое устройство для измерения малых концентраций газовых примесей в составе воздуха, содержащее источник возбуждающего излучения с модулятором, а также последовательно расположенные источник считывающего излучения, отделение для проб газов и позиционно-чувствительный приемник [2]. Источником возбуждающего излучения служил СО ₂ лазер с модулятором излучения, а источником считывающего излучения He-Ne лазер.

В этом устройстве для дополнительного повышения чувствительности было реализовано параллельное прохождение возбуждающего и считывающего лучей и длина взаимодействия составляла несколько десятков сантиметров. Возбуждающее излучение фокусировалось в зону взаимодействия длиннофокусной линзой с f=25 см, а считывающее излучение направляли через германиевое зеркало, прозрачное для СО₂ лазера. Причем для более эффективного сопряжения с градиентной зоной считывающее излучение фокусировали в зону взаимодействия вогнутым зеркалом с f=15 см.

Таким образом, при выходе из этой зоны в плоскости позиционно-чувствительного приемника диаметр считывающего излучения был даже больше, чем на выходе He-Ne лазера. Позиционно-чувствительным приемником служил двухэлементный фотодиод, на который излучение направляли так, чтобы одновременно были засвечены оба его элемента. В этой схеме сохраняются те же недостатки, что и в предыдущей: позиционно чувствительный

элемент освещается широким пучком, что снижает чувствительность прямо пропорционально диаметру пучка, и также невозможность обеспечить многократное прохождение возбуждающего излучения через рабочий объем. Кроме того, здесь появился новый недостаток. Через германиевые зеркала, служащие для ввода в рабочую область считывающего излучения, в тех же местах проходит и мощное излучение СО₂, лазера, которое частично поглощается зеркалами и создает дополнительные температурные градиенты. Через эти градиенты проходит и считывающее излучение, т.е. на выходе системы всегда присутствует паразитный сигнал, складывающийся с полезным сигналом за счет поглощения излучения СО₂ лазера в пробе газа.

Эта схема, так же, как и предыдущая, имеет существенные габариты.

Целью создания настоящей полезной модели является повышение чувствительности измерительной схемы фототермического газоанализатора.

Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве на пути считывающего излучения перед отделением для проб газов дополнительно установлены_ коллиматорный объектив, а после него, фокусирующий объектив, а позиционно-чувствительный приемник выполнен в виде последовательно расположенных ножа, объектива, щелевой диафрагмы и фотоприемника, причем кромка ножа и щелевая диафрагма ориентированы в одном направлении. Ширину диафрагмы d выбирают из условия d3(a/·f)^1/2, где а - температуропроводность пробы газа; f - частота модуляции возбуждающего излучения.

Кроме того, щелевая диафрагма снабжена устройством для ее перемещения перепендикулярно кромке ножа. Отделение для проб газов может содержать плоские зеркала для многократного прохождения через него возбуждающего излучения в плоскости, параллельной кромке ножа.

На пути возбуждающего излучения перед отделением для проб газов может быть установлена ограничивающая шторка, перекрывающая часть излучения параллельно или под углом к кромке ножа.

На чертеже (фиг.1) изображена схема предлагаемого устройства.

Она содержит: 1 - источник считывающего излучения; 2 - источник возбуждающего излучения; 3 - коллимирующий объектив; 4 - отделение для проб газов; 5 - плоские зеркала; 6 - фокусирующий объектив: 7 - нож; 8 - объектив; 9 - диафрагма с устройством перемещения; 10 - фотоприемник; 11 - поворотное зеркало; 12 - шторка; 13 - модулятор.

Устройство работает следующим образом:

Считывающее излучение от источника 1 преобразуется коллимирующим объективом 3 в широкий параллельный пучок, занимающий большую часть сечения отделения для проб газов 4. После прохождения отделения 4 излучение фокусируется объективом 6 на ребро ножа 7, который частично перекрывает излучение. Прошедшая часть излучения объективом 8 преобразуется в параллельный пучок, проходящий через щелевую диафрагму 9 на фотоприемник 10.

Возбуждающее излучение от источника 2 модулируется по амплитуде модулятором 13, частично обрезается шторкой 12 и поворотным зеркалом 11 направляется в отделение 4 перепендикулярно или под углом к считывающему излучению. Плоскими зеркалами 5 обеспечивается многократное прохождение возбуждающего излучения через отделение 4. Зеркала 5 устанавливают таким образом, чтобы переотражения излучения происходили в плоскости параллельной кромке ножа 7.

Щелевая диафрагма 9 ориентирована также вдоль кромки ножа 7. Диаметр пучка возбуждающего излучения существенно меньше сечения считывающего луча в отделении 4. Когда в отделении 4 оказывается газовая компонента, полоса поглощения которой соответствует длине волны возбуждающего излучения, часть этого излучения поглощается и преобразуется в тепло. Периодические пульсации температуры создают пропорциональные им периодические пульсации градиента показателя преломления, периодически отклоняющие считывающее излучение, проходящее через градиентную зону.

направлении. Ширину диафрагмы d выбирают из условия d3(a/·f)^1/2, где а - температуропроводность пробы газа; f - частота модуляции возбуждающего излучения.

Кроме того, щелевая диафрагма может быть снабжена устройством для ее перемещения перепендикулярно кромке ножа. Отделение для проб газов может содержать плоские зеркала для многократного прохождения через него возбуждающего излучения в плоскости, параллельной кромке ножа.

На пути возбуждающего излучения перед отделением для проб газов может быть установлена ограничивающая шторка, перекрывающая часть излучения параллельно или под углом к кромке ножа.

На чертеже (фиг.1) изображена схема предлагаемого устройства.

Она содержит: 1 - источник считывающего излучения; 2 - источник возбуждающего излучения; 3 - коллимирующий объектив; 4 - отделение для проб газов; 5 - плоские зеркала; 6 - фокусирующий объектив; 7 - нож; 8 - объектив; 9 - диафрагма с устройством перемещения; 10 - фотоприемник; 11 - поворотное зеркало; 12 - шторка; 13 - модулятор.

Устройство работает следующим образом:

Считывающее излучение от источника 1 преобразуется коллимирующим объективом 3 в широкий параллельный пучок, занимающий большую часть сечения отделения для проб газов 4. После прохождения отделения 4 излучение фокусируется объективом 6 на ребро ножа 7, который частично перекрывает излучение. Прошедшая часть излучения объективом 8 преобразуется в параллельный пучок, проходящий через щелевую диафрагму 9 на фотоприемник 10.

Возбуждающее излучение от источника 2 модулируется по амплитуде модулятором 13, частично обрезается шторкой 12 и поворотным зеркалом 11 направляется в отделение 4 перепендикулярно или под углом к считывающему излучению. Плоскими зеркалами 5 обеспечивается многократное прохождение возбуждающего излучения через отделение 4. Зеркала 5 устанавливают таким образом, чтобы переотражения излучения происходили в плоскости параллельной кромке ножа 7.

Щелевая диафрагма 9 ориентирована также вдоль кромки ножа 7. Диаметр пучка возбуждающего излучения существенно меньше сечения считывающего луча в отделении 4. Когда в отделении 4 оказывается газовая компонента, полоса поглощения которой соответствует длине волны возбуждающего излучения, часть этого излучения поглощается и преобразуется в тепло. Периодические пульсации температуры создают пропорциональные им периодические пульсации градиента показателя преломления, периодически отклоняющие считывающее излучение проходящее через градиентную зону.

В аналоге и прототипе возбуждающее излучение фокусировалось в зону взаимодействия со считывающим лучом с целью повышения плотности тепловыделений.

Авторами были проведены сравнительные измерения с заявляемым устройством, когда на пути возбуждающего луча перед кюветой устанавливалась фокусирующая линза из BaF ₂ с фокуснум расстоянием ˜ 35 мм. При этом внутри кюветы средний диаметр возбуждающего луча не превышал 1,0 мм, как и в прототипе. В результате получили, что установка линзы повышала сигнал в 2-2,5 раза не более, но при этом пропадала возможность организации многократного прохождения излучения через кювету. А учитывая, что установка шторки практически компенсирует это повышение чувствительности, можно эффективно работать с параллельным возбуждающим лучом.

В плоскости ножа диаметр луча, считывающего излучения, составлял 20 мкм. При смещении ножа из фокальной плоскости объектива в положение, соответствующее диаметру луча 1,0 мм (таким был диаметр считывающего луча в прототипе), сигнал уменьшился в ˜ 50 раз.

Кювета в заявляемом устройстве была длиной 80 мм. При диаметре возбуждающего луча 3 мм это позволяет обеспечить до 80/3 26 проходов с помощью пары плоских зеркал, что соответствует общей длине взаимодействия 260 мм, что сопоставимо с прототипом. Можно организовать переотражения и в направлении близком к оси кюветы и тем самым еще больше увеличить длину взаимодействия. Экспериментально была опробована организация трех проходов, при этом сигнал возрос ˜ в 3 раза. Это было вызвано тем, что были вынуждены установить в кювете уже имеющиеся окна небольшого размера из ВаF₂ - из-за технических сложностей изготовления окон большого размера. Все объективы были короткофокусными, самое большое фокусное расстояние было у фокусирующего объектива перед ножом, составляющее 75 мм.

Поэтому предлагаемое устройство при соответствующей компоновке будет намного компактнее, чем аналог и прототип.

Предельная реализованная чувствительность по обнаружению следов этилена в заявляемом устройстве при одном проходе составила ˜ 10 ррb (десяти частей на миллиард), что в пересчете на 26 проходов составит ˜ 0,4 ppb при частоте модуляции 12,5 Гц, полосе приема 0,01 Гц, мощности излучения СО₂ лазера 1,0 Вт и мощности излучения He-Ne лазера ˜ 1,0 мВт.

В прототипе приводятся подобные данные по чувствительности, но в нем нет информации о полосе приема, уровне шумов лазеров и регистрирующего тракта, поэтому провести корректное сравнение устройств в целом не представляется возможным.

Корректно можно сравнивать только отдельные факторы, влияющие на чувствительность, а именно:

1. Переход от диаметра пятна на позиционно-чувствительном элементе от 1,0 мм (прототип) до 20,0 мкм (заявляемое устройство) увеличивает чувствительность в ˜ 50 раз.

2. Использование параллельного пучка возбуждающего излучения позволяет обеспечить за счет многократных проходов излучения общую длину взаимодействия сравнимую и даже большую, чем в прототипе при существенно меньших габаритах устройства.

[1] D.Fournier, A.C.Boccara, N.M.Amer, R.Gerlach "'Sensitive in situ trace-gas detection by photothermal deflection spectroscopy" Applied Physics Letters, v.37, №6, p.519-521 (1980).

[2] B.L.Zimmering, A.C.Boccara "Compact design for real time in situ atmocpheric trace gas detection based on mirage effect (photothermal deflection) spectroscopy" Rev.Sci.Instrum, v.67, №5, р.1891-1895 (1996).

правильно, с некоторым запасом. При всех значениях ширины диафрагмы сигнал изменялся в зависимости от положения диафрагмы и становился максимальным при смещении диафрагмы от плоскости ножа на ˜1,0 мм. При этом через диафрагму на фотоприемник проходило изображение участка соответствующего градиентной зоне одного направления.

Эти значения были получены без установки шторки частично перекрывающей излучение СО₂ лазера.

После установки шторки были получены следующие результаты: Когда шторку установили параллельно кромке ножа и перекрыли половину излучения СО ₂ лазера, сигнал увеличился в 1,5-2,0 раза несмотря на то, что мощность излучения проходящего через кювету уменьшилась в 2 раза. Это объясняется тем, что при переходе от круглого сечения луча к наполовину срезанному кругу, оптимизируются условия получения более крутого градиента температуры в газе прилегающем к лучу со стороны среза. Подобный эффект наблюдался и при срезе луча шторкой под углом, но в меньшей степени. Например, при угле 45 увеличение составило ˜30%. При срезе луча шторкой в направлении перпендикулярном кромке ножа сигнал уменьшался ˜ в 2 раза при половинном перекрытом луче.

В предлагаемом устройстве использовался параллельный пучок возбуждающего излучения диаметром 3,0 мм для возможности реализации его многократного прохождения через кювету.

В аналоге и прототипе возбуждающее излучение фокусировалось в зону взаимодействия со считывающим лучом с целью повышения плотности тепловыделений.

Авторами были проведены сравнительные измерения с заявляемым устройством, когда на пути возбуждающего луча перед кюветой устанавливалась фокусирующая линза из BaF₂ с фокуснум расстоянием ˜35 мм. При этом внутри кюветы средний диаметр возбуждающего луча не превышал 1,0 мм, как и в прототипе. В результате получили, что установка линзы повышала сигнал в 2-2,5 раза не более, но при этом пропадала возможность организации многократного прохождения излучения через кювету. А учитывая, что установка шторки практически компенсирует это повышение чувствительности, можно эффективно работать с параллельным возбуждающим лучом.

В плоскости ножа диаметр луча, считывающего излучения составлял 20 мкм. При смещении ножа из фокальной плоскости объектива в положение соответствующее диаметру луча 1,0 мм (таким был диаметр считывающего луча в прототипе) сигнал уменьшился в ˜50 раз.

Кювета в заявляемом устройстве была длиной 80 мм. При диаметре возбуждающего луча 3 мм это позволяет обеспечить до 80/326 проходов с помощью пары плоских зеркал, что соответствует общей длине взаимодействия 260 мм, что сопоставимо с прототипом. Можно

организовать переотражения и в направлении близком к оси кюветы и тем самым еще больше увеличить длину взаимодействия. Экспериментально была опробована организация трех проходов, при этом сигнал возрос ˜ в 3 раза. Это было вызвано тем, что были вынуждены установить в кювете уже имеющиеся окна небольшого размера из BaF₂ - из-за технических сложностей изготовления окон большого размера. Все объективы были короткофокусными, самое большое фокусное расстояние было у фокусирующего объектива перед ножом, составляющее 75 мм.

Поэтому предлагаемое устройство при соответствующей компоновке будет намного компактнее, чем аналог и прототип.

Предельная реализованная чувствительность по обнаружению следов этилена в заявляемом устройстве при одном проходе составила ˜10 ррb (десяти частей на миллиард), что в пересчете на 26 проходов составит ˜0,4 ppb при частоте модуляции 12,5 Гц, полосе приема 0,01 Гц, мощности излучения СО₂ лазера 1,0 Вт и мощности излучения He-Ne лазера ˜1,0 мВт.

В прототипе приводятся подобные данные по чувствительности, но в нем нет информации о полосе приема, уровне шумов лазеров и регистрирующего тракта, поэтому провести корректное сравнение устройств в целом не представляется возможным.

Корректно можно сравнивать только отдельные факторы, влияющие на чувствительность, а именно:

1. Переход от диаметра пятна на позиционно-чувствительном элементе от 1,0 мм (прототип) до 20,0 мкм(заявляемое устройство) увеличивает чувствительность в ˜50 раз.

2. Использование параллельного пучка возбуждающего излучения позволяет обеспечить за счет многократных проходов излучения общую длину взаимодействия сравнимую и даже большую, чем в прототипе при существенно меньших габаритах устройства.

[1] D.Foumier, A.C.Boccara, N.M.Amer, R.Gerlach "Sensitive in situ trace-gas detection by photothermal deflection spectroscopy" Applied Physics Letters, v.37, №6, p.519-521 (1980).

[2] B.L.Zimering, A.C.Boccara "Compact design for real time in situ atmospheric trace gas detection based on mirage effect (photothermal deflection) spectroscopy" Rev.Sci.Instrum. v.67, №5, р.1891-1895 (1996).

1. Фототермический газоанализатор, включающий источник возбуждающего излучения с модулятором, а также последовательно расположенные источник считывающего излучения, отделение для проб газов, позиционно-чувствительный фотоприемник, отличающийся тем, что на пути считывающего излучения дополнительно установлены перед отделением для проб газов коллиматорный объектив, а после него фокусирующий объектив, позиционно-чувствительный приемник выполнен в виде последовательно расположенных ножа, объектива, щелевой диафрагмы и фотоприемника, причем кромка ножа и щелевая диафрагма ориентированы в одном направлении, а ширина диафрагмы d выбирается из условия d3(а/·f)^1/2, где а - температуропроводность пробы газа; f - частота модуляции возбуждающего излучения.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что щелевая диафрагма снабжена устройством для ее перемещения перпендикулярно кромке ножа.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что отделение для проб газов содержит плоские зеркала для многократного прохождения через него возбуждающего излучения в плоскости параллельной кромке ножа.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на пути возбуждающего излучения перед отделением для проб газов установлена ограничивающая шторка, перекрывающая часть излучения параллельно или под углом к кромке ножа.