Терагерцовый спектрометр

 

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности, к оптико-акустическим газоанализаторам, и может быть использована в медицине для бесконтактной диагностики, основанной на анализе воздуха, выдыхаемого пациентом. Терагерцовый спектрометр содержит перестраиваемый CO2-лазер накачки, блок формирования луча, оптико-акустический детектор, а также систему подготовки и отбора газовой пробы и устройство регистрации и обработки данных. Блок формирования луча представляет собой цилиндр с вакуумной полостью внутри и установленными на торцах оптическими элементами, позволяющими вводить в вакуумную полость излучение CO2-лазера накачки и выводить узкополосное излучение терагерцового диапазона на дискретно расположенных линиях генерации, соединенный с устройством откачки газов и, через управляемые клапаны, с контейнерами с рабочими веществами, с возможностью его наполнения парами того или иного рабочего вещества. Для подстройки длины блока формирования луча для достижения максимальной мощности на заданной линии возможна установка электромеханического актуатора - прецизионного устройства перемещения одного из установленных на торцах оптических элементов. Для плавной перестройки относительно центра линии возможно применение пьезоэлектрического актуатора. Для удаления или замены одного рабочего вещества на другое путем вымораживания возможно подключение к вакуумной полости контейнера - «азотной ловушки», отделенной от вакуумной системы клапаном. Заявляемое устройство позволяет с высокой точностью определять качественный и количественный состав в газовых пробах органических веществ, имеющих линии поглощения в терагерцовой области излучения (белки, ДНК, РНК и т.п.) и может эффективно использоваться для бесконтактной диагностики заболеваний бронхо-легочной системы по контролю летучих метаболитов в газовыделениях пациентов, сочетая в себе мобильность, низкую стоимость, отсутствие лучевой нагрузки, высокую информативность, неинвазивность процесса диагностики.

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности, к оптико-акустическим газоанализаторам, и может быть использована в медицине для бесконтактной диагностики, основанной на анализе воздуха, выдыхаемого пациентом.

Известно устройство для определения концентрации CO и CO2 в воздушных пробах, содержащее перестраиваемый диодный лазер в качестве источника излучения, с длиной волны, соответствующей спектральной области линий поглощения CO и CO2, находящихся в газообразном состоянии, систему управления параметрами спектрометрии, систему обработки полученных данных и фотодетекторы, регистрирующие оптическое излучение, прошедшее через исследуемую пробу (см. патент RU 84986, МПК G01N 21/62, опубликован 20.07.2009).

Известно устройство для определения сравнительного содержания изотопов 12CO2 и 13CO2 в образцах газовых смесей, содержащее перестраиваемый полупроводниковый лазер, блок управления устройством, блок пространственного разделения лазерного излучения на несколько лучей близкой интенсивности, находящийся в герметичном объеме образец исследуемой газовой смеси, образец референсной газовой смеси, находящийся в аналогичном герметичном объеме, блоки фотодетектирования лазерного излучения в исследовательском и референсном каналах и блок обработки результатов (см. патент RU 2453826, МПК G01N 15/00, опубликован 20.06.2012).

Основным общим недостатком вышеописанных устройств является узкая область применения, не позволяющая использовать их для определения каких-либо веществ в воздушных пробах, за исключением заявляемых в патентах. Кроме того, совместное использование в устройствах полупроводниковых лазеров в качестве источников излучения и фотодетекторов для его регистрации, не позволяет добиваться высокой чувствительности в связи с низким соотношением сигнал/шум, обусловленным малой мощностью источников излучения и регистрацией непосредственно самого излучения, ослабленного прохождением через пробу.

Наиболее близким по своей сути к заявляемому решению является, по мнению заявителя, устройство, содержащее источник широкополостного терагерцового излучения, воздействующего на исследуемый образец, детектор спектра терагерцового излучения, прошедшего через исследуемый образец, блок анализа и оценки и блок графического отображения обработанной информации (см. патент EP 2537021, МПК G01N 21/35, опубликован 26.12.2012).

В данном устройстве для анализа образцов используют весь спектр терагерцового излучения, что дает возможность исследования и анализа твердых (монолитных либо композитных) веществ, однако ввиду отсутствия избирательности частот, не позволяет исследовать газообразные пробы.

Задачей заявляемого в качестве полезной модели технического решения является возможность определения в многокомпонентных газовых пробах летучих метаболитов, линии поглощения которых находятся в терагерцовом диапазоне волн.

Техническими результатами разработки являются высокие чувствительность и избирательность анализа в терагерцовом диапазоне волн, широкий спектр определяемых веществ, возможность анализа в живом времени состава многокомпонентных газовых смесей.

Результаты полезной модели достигаются за счет того, что в терагерцовом спектрометре, содержащем перестраиваемый CO 2-лазер накачки, блок формирования луча, оптико-акустический детектор, а также систему подготовки и отбора газовой пробы и устройство регистрации и обработки данных, блок формирования луча представляет собой цилиндр с вакуумной полостью внутри и установленными на торцах оптическими элементами, позволяющими вводить в вакуумную полость излучение CO2-лазера накачки и выводить узкополосное излучение терагерцового диапазона на дискретно расположенных линиях генерации, соединенный с устройством откачки газов и, через управляемые клапаны, с контейнерами с рабочими веществами, с возможностью его наполнения парами того или иного рабочего вещества.

Для подстройки длины блока формирования луча для достижения максимальной мощности на заданной линии возможна установка электромеханического актуатора - прецизионного устройства перемещения одного из установленных на торцах оптических элементов.

Для плавной перестройки относительно центра линии возможно применение пьезоэлектрического актуатора.

Для удаления или замены одного рабочего вещества на другое путем вымораживания возможно подключение к вакуумной полости контейнера - «азотной ловушки», отделенной от вакуумной системы клапаном.

Сущность предлагаемого технического решения иллюстрируется нижеследующими рисунками: на фиг.1 приведена блок-схема заявляемого терагецового спектрометра; на фиг.2 - схема блока формирования луча.

Терагерцовый спектрометр содержит лазер накачки 1, блок 2 формирования луча с вакуумной полостью 3, оптическими элементами 4, управляемыми клапанами 5, соединенными с контейнерами 6 с рабочими веществами, электромеханическим актуатором 7, пьезоэлектрическим актуатором 8, «азотную ловушку» 9, оптико-акустический детектор 10, систему 11 подготовки и отбора газовой пробы и устройство 12 регистрации и обработки данных.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

Лазер 1 накачки генерирует в импульсно-периодическом режиме монохроматическое излучение заданной длины волны, поступающее в блок 2 формирования луча. Количество линий генерации (длин волн) зависит от конкретного лазера. Так, использование отпаянного волноводного CO2 -лазера с ВЧ возбуждением и с активным элементом лазера, выполненным на основе Z-образного волновода с общей длиной 120 см, позволяет получать более 60 линий генерации. Перестройку лазера 1 по линиям генерации осуществляют, например, за счет поворота установленной на его выходе дифракционной решетки. Для плавной перестройки относительно центра линии дифракционную решетку устанавливают на пьезоэлектрическом актуаторе 8. Управление дифракционной решеткой и актуатором 8 может осуществляться контроллером по программе, задаваемой компьютером,

Сгенерированное излучение от лазера 1 поступает через входной оптический элемент 4 в вакуумную полость 3 блока 2 формирования луча, в которой происходит перестройка его частоты в заданную частоту терагерцового диапазона за счет прохождения излучения через рабочее вещество. В конкретном варианте исполнения полость 3 выполнена цилиндрической, диаметром порядка 40 мм и длиной 700 мм. Подстройку длины вакуумной полости 3 для достижения максимальной мощности на заданной линии генерации осуществляют с помощью электромеханического актуатора 7 - прецизионного устройства перемещения одного из оптических элементов 4. Плавную перестройку относительно центра линии генерации осуществляют пьезоэлектрическим актуатором 8. Для наполнения вакуумной полости 3 парами рабочего вещества используют контейнеры 6 с соответствующими веществами, которые подключены к вакуумной полости 3 через управляемые контроллером клапаны 5. Для откачки вакуумной полости 3 предусмотрено ее подключение к переносному вакуумному посту через один из клапанов 5. Дополнительно имеется возможность удаления или замены одного рабочего вещества на другое путем вымораживания жидким азотом. С этой целью имеется подключенный к вакуумной полости контейнер - «азотная ловушка» 9, также отделенный от вакуумной системы клапаном 5.

Полученное в блоке 2 формирования луча излучение через выходной оптический элемент 4 выходит наружу и попадает в оптико-акустический детектор (ОАД) 10, заполненный поступившей из устройства 11 газовой пробой. При прохождении излучения через ОАД 10 им на характерных длинах волн регистрируются спектры поглощения веществ, присутствующих в газовой пробе. Амплитуда сигналов поглощения, регистрируемая ОАД 10, пропорциональна мощности излучения, концентрации поглощающего вещества в пробе, коэффициенту его поглощения на длине волны излучения.

Полученные результаты поступают от ОАД в устройство 12 регистрации и обработки данных.

Заявляемое устройство позволяет с высокой точностью определять качественный и количественный состав в газовых пробах органических веществ, имеющих линии поглощения в терагерцовой области излучения (белки, ДНК, РНК и т.п.) и может эффективно использоваться для бесконтактной диагностики заболеваний бронхо-легочной системы по контролю летучих метаболитов в газовыделениях пациентов, сочетая в себе мобильность, низкую стоимость, отсутствие лучевой нагрузки, высокую информативность, неинвазивность процесса диагностики.

1. Терагерцовый спектрометр, содержащий перестраиваемый CO 2-лазер накачки, блок формирования луча, оптико-акустический детектор, а также систему подготовки и отбора газовой пробы и устройство регистрации и обработки данных, отличающийся тем, что блок формирования луча представляет собой цилиндр с вакуумной полостью внутри и установленными на торцах оптическими элементами, позволяющими вводить в вакуумную полость излучение CO2 -лазера накачки и выводить узкополосное излучение терагерцового диапазона на дискретно расположенных линиях генерации, соединенный с устройством откачки газов и, через управляемые клапаны, с контейнерами с рабочими веществами, с возможностью его наполнения парами того или иного рабочего вещества.

2. Терагерцовый спектрометр по п.1, отличающийся тем, что блок формирования луча дополнительно содержит электромеханический актуатор.

3. Терагерцовый спектрометр по п.1, отличающийся тем, что блок формирования луча дополнительно содержит пьезоэлектрический актуатор.

4. Терагерцовый спектрометр по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит соединенный через клапан с вакуумной полостью контейнер - «азотную ловушку».



 

Похожие патенты:

Полезная модель относится к оптико-электронному приборостроению, а именно к фотометрии (в частности, к колориметрии) и может быть использован для измерения коэффициента диффузного отражения и координат цвета (цветности) различных объектов
Наверх