Лазерная оптическая система для измерения изотопного отношения 13co2/12co2
Полезная модель относится к области изотопного анализа и предназначена для измерения изотопного отношения 13 СO2/12СO2 как в лабораторных, так и в полевых условиях. Техническим результатом является повышение чувствительности, точности и надежности измерений изотопного отношения 13CO2/12CO2 при обеспечении компактности системы и низкого энергопотребления. Для этого предложена лазерная оптическая система для измерения изотопного отношения 13СO2/12 СO2, состоящая из лазера, и, установленных по ходу излучения, делителя, оптической кюветы, рнпнрной кюветы, фотоприемников, и компьютерной системы, при этом оптическая кювета выполнена в виде многоходовой оптической кюветы Эррио со средством регулирования температурной стабилизации, выполненной в виде сильфона и инваровых шпилек, частота работы лазера составляет 2004 нм, совпадающей с линией поглощения СO2 v1+2v2 +v3, а компьютерная система служит для контроля работы лазера и обработки спектров поглощения и вычисления изотопного отношения. 1 н.п.ф., 2 ил.
Полезная модель относится к области изотопного анализа и предназначена для измерения изотопного отношения 13 СO2/12СO2 как в лабораторных, так и в полевых условиях. Система может быть использована для различных видов изотопного анализа, в том числе для исследования окружающей среды и медицинской диагностики.
Известен целый ряд измерителей изотопного отношения 13СO 2/12СO2, предназначенных для исследования растительности, исследования окружающей среды и для медицинской диагностики с помощью изотопного дыхательного тестирования. Наиболее точными приборами для измерения этого отношения являются магнитные и квадрупольные масс-спектрометры. Например масс-спектрометр МАТ 253 фирмы «Thermo Scientific) () имеет высокую точность, однако при этом имеет значительные габариты, вес и стоимость. К тому же такие масс-спектрометры предназначены для работы только в лабораторных условиях. Для снижения габаритов, веса и стоимости в последнее время разрабатываются оптические, в том числе лазерные измерители изотопного отношения 13СO2/ 12СO2. Известен измеритель изотопного отношения (патент US 
5479019), в котором используется принцип бездисперсионной спектроскопии. Инфракрасное излучение проходит по двум оптическим путям через кюветы заполненные образцом и объектом, причем образец используется с заданным изотопным составом. Измеритель изотопного отношения IRIS-3 фирмы WAGNER (сейчас принадлежит фирме KIBION ) также основан на принципе бездисперсионной спектроскопии с калибровкой с помощью изотопных фильтров с заданным отношением 13СO2/12СO2. Прибор достаточно компактный, но не обладает долговременной стабильностью и, также как и масс-спектрометры, предназначен для работы только в лабораторных условиях. Аналогичная схема используется в измерителе изотопных отношений, описанная в патенте РФ 2223479. Недостатки этого устройства те же, что и в приборе IRIS-3.
Наиболее перспективными представляются лазерные измерители изотопного отношения с использованием многоходовых оптических кювет. Один из первых патентов, в котором предлагается измерять изотопное отношение с помощью лазера - патент US 4462686. Предлагается использовать излучение СО2 лазера и измерение поглощения на «горячих» полосах молекулы СО2.
При этом система получается довольно-таки громоздкой и не обеспечивающей высокой точности. С появлением полупроводниковых лазеров стали разрабатывать компактные схемы измерения изотопных отношений с измерением поглощения на различных комбинационных линиях СO2.
Известен диодный лазерный спектрометр (патент US 5543621-прототип) для измерения изотопного отношения 13СO2/12СO2, содержащий оптическую кювету, делитель, фотоприемник и компьютерную систему обработки данных. Для повышения точности и чувствительности используется лазер с излучением в диапазоне 4.3 мкм на основной полосе поглощения молекулы СO2. Для стабильной работы полупроводникового лазера требуется его охлаждение, что делает систему достаточно дорогой и снижает стабильность работы.
Техническим результатом, на который направлена данная полезная модель является повышение чувствительности, точности и надежности измерений изотопного отношения 13СO2/12СO2 при обеспечении компактности системы и низкого энергопотребления.
Для достижения указанного результата предложена лазерная оптическая система для измерения изотопного отношения 13 СO2/12СO2, состоящая из лазера, и, установленных по ходу излучения, делителя, оптической кюветы, реперной кюветы, фотоприемников, и компьютерной системы, при этом оптическая кювета выполнена в виде многоходовой оптической кюветы Эррио со средством регулирования температурной стабилизации, выполненной в виде сильфона и инваровых шпилек, частота работы лазера составляет 2004 нм, совпадающей с линией поглощения СO 2 v1+2v2+v3, а компьютерная система служит для контроля работы лазера и обработки спектров поглощения и вычисления изотопного отношения.
Частота работы лазера выбрана исходя из анализа спектров поглощения молекул СO2, который показал, что в ближнем инфракрасном (ИК) диапазоне (1,0-2,0 мкм) наиболее перспективной аналитической линией поглощения может служить линия, отвечающая составному колебанию v1+2v2+v3 с длиной волны 2,004 мкм, имеющая интенсивность 1,332·10-21 см/молек, которая более чем на два порядка превышает таковую для традиционно используемых для анализа СO2 линий v1+4v2+v3 и 2v1+2v 2+v3 с длинами волн 1,603 и 1,572 мкм, и интенсивностью 1,838·10-23 и 1,846·10-23 см/молек, соответственно.
Для достижения цели повышения чувствительности и точности измерения изотопного отношения используется диодный лазер (ДЛ) с вертикальным резонатором с центром линии генерации в диапазоне 2004 нм, многоходовая кювета Эррио с длиной оптического пути 15-22 м (в зависимости от настройки) и компьютерная система для обработки спектров и определения изотопного отношения.
Преимущества измерителя отношения 13СO 2/12СO2 на основе ДЛ вертикальным резонатором накачки перед подобными системами на основе ДЛ с эталоном Фабри-Перо или ДЛ с распределенной обратной связью (РОС ДЛ) и другими типами многоходовых кювет заключается в существенно малом энергопотреблении в сочетании с компактностью и временной стабильностью, что является очень важным фактором при проведении полевых измерений. Также данный тип лазера и компьютерный блок позволяют использовать в качестве источника аккумулятор, в результате чего система может быть использована в полевых условиях. Использование кюветы Эррио позволяет резко увеличить коэффициент поглощения слоя исследуемых газообразных веществ и, тем самым, значительно повысить чувствительность локального газового анализа.
Кювета представляет собой устойчивый оптический резонатор, образованный двумя вогнутыми сферическими зеркалами. Для простоты и удобства конструирования радиусы кривизны зеркал выбираются одинаковыми. Зеркала располагают соосно на расстоянии меньшем, чем радиус кривизны. Для ввода и вывода излучения имеются отверстия в отражающем покрытии.
На фигуре 1 показана конструкция кюветы Эррио, где
1 - корпус
2 - патрубок
3 - штуцер
4 - инваровая шпилька
5 - фланец
6 - прокладка
7 - фланец
8 - зеркало
9 - сильфон
10 - гайка
Оптическая схема устройства представлена на фигуре 2, где
11 - лазер
12 - делитель
13 - кювета Эррио
14 - фотоприемник
15 - реперная кювета
16 - фотоприемник
17 - компьютерная система
18 - натекатель
19 - вакуумная система
Конструкция кюветы состоит из двух одинаковых корпусов 1 со сквозным отверстием диаметром 60 мм. На указанных корпусах располагаются зеркала 8. Вакуумное уплотнение стыков осуществляется тороидальными резиновыми прокладками 6. Корпуса соединяются между собой шпильками из инвара 4, которые обеспечивают механическую и термическую стабильность конструкции. Между корпусами 1 расположен сильфон 9, который с помощью приваренных к нему патрубков 2 с фланцами 7 крепится к корпусам. Использование сильфона позволяет менять расстояние между зеркалами и тем самым осуществлять настройку многоходовой кюветы. Вакуумное уплотнение стыков также осуществляется тороидальными резиновыми прокладками. В корпусах имеются сквозные отверстия с приваренными штуцерами 3. Через эти отверстия можно производить откачку кюветы и ее заполнение исследуемой газовой смесью.
Устройство работает следующим образом. Излучение ДЛ 11 с помощью оптического делителя 12 направляется в аналитический и реперный каналы. В аналитическом канале для записи спектров поглощения используется многоходовая кювета Эррио 13 с базовой длиной 40 см и эффективной длиной оптического пути 15-22 м. В реперном канале помещается кювета сравнения 15 длиной 30 см и давлении СO2 300 мм рт.ст., предназначенная для температурной стабилизации циклов сканирования частоты ДЛ и абсолютной привязки частоты излучения.
Вакуумная система 19 обеспечивает непрерывную прокачку газовой смеси. Перед записью спектра кювета откачивается и обезгаживается, а затем с помощью натекателя 18 устанавливался ламинарный поток исследуемой смеси Полное давление газовой смеси в кювете Эррио поддерживается на уровне 0,1-1,0 атм. Управление ДЛ, а также запись сигналов с фотоприемников аналитического 14 и реперного 16 каналов производится под управлением компьютерной системы 17. Включается лазер, устанавливается его частота по сигналу реперной кюветы и производится запись спектра исследуемого образца. Затем по записанному спектру производится вычисление изотопного отношения. Результат высвечивается на экране компьютера.
Пример осуществления полезной модели.
Прежде чем использовать систему для измерения реальных образцов система была протестирована со стандартными образцами, приготовленными методом разбавления обогащенного 13 СO2 в природном чистом СO2 и чистом азоте. Использовались концентрации стандартных образцов от природной 1.13% до 3.5%. Концентрация стандартных образцов проверялась на масс-спектрометре МИ1201АГ. Проведенные испытания показали точность измерения изотопного отношения 13СO2 /12СO2на уровне 0.15-0.25 промилле в зависимости от измеряемого образца. Эта точность сравнима или превосходит точность известных измерителей изотопного отношения. После испытаний были проведены измерения изотопного отношения в хвое молодых сосен, для которых была сделана подкормка обогащенным 13 СO2. Система позволила быстро и с необходимой точностью определить распределение углерода по различным частям деревьев. Таким образом, система показала свою работоспособность при практическом использовании для исследований окружающей среды.
Лазерная оптическая система для измерения изотопного отношения 13CO2/12CO2, состоящая из лазера и установленных по ходу излучения делителя, оптической кюветы, реперной кюветы, фотоприемников и компьютерной системы, отличающаяся тем, что оптическая кювета выполнена в виде многоходовой оптической кюветы Эррио со средством регулирования температурной стабилизации, выполненной в виде сильфона и инваровых шпилек, частота работы лазера составляет 2004 нм, совпадающей с линией поглощения СО2 v1+2v2+v 3, а компьютерная система служит для контроля работы лазера и обработки спектров поглощения и вычисления изотопного отношения.
