Устройство для одновременного определения концентрации молекул со и со2 в газообразной среде

Техническим результатом, на достижение которого направлена предлагаемая полезная модель, является устройство для одновременного определения концентрации молекул СО и СО₂ в газообразной среде, выполненное с возможностью ввода параметров лазерной аналитической системы и запуска процесса лазерного спектрального анализа, а также с возможностью выбора спектральных и частотных характеристик лазерного излучения, температурного режима работы используемого лазера, параметров сканирования спектров, их регистрации, оцифровки, передачи, буферирования, хранения, обработки спектральных данных, включающее в качестве используемого лазера перестраиваемый диодный лазер на основе соединения PbEuSe, выполненный с возможностью генерации монохроматического и контролируемым образом перестраиваемого по частоте оптического излучения, длина волны которого лежит в той спектральной области, в которой расположены используемые для анализа линии поглощения СО и СО₂, находящихся в газообразном состоянии, включающее также систему управления, выполненную с возможностью поддержания заданных параметров, синхронизации циклов сканирования спектров, осуществления регистрации спектров, их оцифровки, а также с возможностью передачи, буферирования, хранения, обработки спектральных данных, выдачи результатов измерений, систему термостабилизации, выполненную с возможностью настройки используемого лазера на спектральный диапазон, в котором лежат аналитические линии поглощения СО и СО₂, и поддержания с необходимой точностью рабочей температуры используемого лазера и его рабочей длины волны, систему накачки и управления спектральными и мощностными параметрами излучения используемого лазера, выполненную с возможностью генерации тока определенной амплитуды и формы, используемого для накачки перестраиваемого диодного лазера, и управления спектральными и мощностными параметрами излучения используемого лазера посредством изменения амплитудных и временных параметров тока накачки, систему формирования пространственных характеристик лазерного пучка, выполненную с возможностью коллимации расходящегося излучения используемого лазера в пучок, пригодный для пропускания через исследуемый объект, и фокусировки на систему детектирования оптического излучения, выполненную с возможностью выделения в принимаемом модулированном лазерном сигнале радиочастотной составляющей, содержащей информацию о спектрах пропускания исследуемой среды, и обращения ее в электрический радиочастотный сигнал, систему предварительного усиления регистрируемого радиочастотного сигнала, выполненную с возможностью предварительного усиления регистрируемого с помощью фотодетектора радиочастотного сигнала, содержащего информацию о спектрах пропускания исследуемой среды и, в случае необходимости, аналогового дифференцирования регистрируемого сигнала, систему оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала, выполненную с возможностью перевода аналогового радиочастотного сигнала, регистрируемого с помощью фотодетектора и содержащего информацию о спектрах пропускания исследуемой среды, в цифровую форму, с возможностью считывания получаемого цифрового сигнала и передачи его в память устройства, предназначенного для накопления и хранения цифровой информации, систему обработки лазерных спектров пропускания, выполненную с возможностью обработки получаемой информации и расчета спектра коэффициента поглощения в анализируемых линиях СО и СО₂ в регистрируемом диапазоне спектра, систему вывода результирующих данных, выполненную с возможностью вывода и визуализации полученных данных абсолютного и относительного содержания молекул СО и СО ₂ в анализируемой среде, а также других промежуточных результатов обработки спектров, отражающих изменения измеряемых параметров, при этом ввод основных параметров возможен посредством системы управления, которая выполнена с возможностью передачи информации на систему термостабилизации, накачки и управления спектральными и мощностными параметрами излучения используемого лазера, которая сопряжена с используемым лазером, а также на систему оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала и систему обработки лазерных спектров пропускания, выбор параметров системы также возможен посредством системы управления, с которой сопряжен используемый лазер, который, в свою очередь, сопряжен с системой термостабилизации и с системой формирования пространственных характеристик лазерного пучка, с которой последовательно соединены объект спектрального анализа, содержащий СО и CO₂, система детектирования лазерного излучения, система предварительного усиления регистрируемого радиочастотного сигнала, система оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала, система обработки лазерных спектров пропускания, выполненная с возможностью одновременного анализа содержания молекул СО и СО₂ в объекте спектрального анализа с возможностью использования линий поглощения СО и линий поглощения СО₂ , попадающих в спектральную область, перекрываемую перестраиваемым диодным лазером на основе соединения PbEuSe, а именно с возможностью использования не перекрывающихся с линиями поглощения паров воды линий поглощения Р-ветви СО из фундаментальной колебательно-вращательной полосы 1-0 и линий поглощения полосы 20001-01101 СО₂ , расположенных в спектральном диапазоне от 2100 см^-1 до 2125 см^-1, с возможностью регистрации спектра пропускания СО и CO₂ посредством перестраиваемого диодного лазера на основе соединения PbEuSe, работающего в данном спектральном диапазоне, с возможностью сканирования оптической частоты лазера в спектральном диапазоне от 1 см^-1 до 10 см^-1 за счет накачки лазера периодически повторяющимися импульсами тока амплитудой от 50 мА до 3000 мА, длительностью от 50 мкс до 10000 мкс и частотой повторения от 20 Гц до 10 кГц, с возможностью пропускания лазерного излучения через многоходовую оптическую кювету, содержащую исследуемую газовую среду, с длиной оптического пути от 1 до 100 метров, с возможностью детектирования прошедшего через анализируемую среду лазерного излучения с помощью фотодиода на основе соединения InSb с диаметром чувствительной площадки от 100 мкм до 2 мм и быстродействием от 10 нс до 200 нс, с использованием в качестве объекта спектрального анализа, содержащего СО и СО₂, газообразной среды, в том числе выдыхаемого воздуха.

Предложенное устройство является точным и эргономичным, промышленно применимым и новым. Оно может быть использовано в области лазерной спектроскопии и анализа, а именно в области применения перестраиваемых полупроводниковых лазеров. Актуально для биомедицинской диагностики, а также может найти широкое применений в биотехнологии, в медицине, в фармацевтике, энергетике и других областях народного хозяйства

Область применения

Полезная модель относится к области лазерной спектроскопии и спектрального анализа, а именно к области применения перестраиваемых полупроводниковых лазеров и может быть использована для одновременной диагностики абсолютного и относительного содержания окислов углерода СО и СО₂ в газообразной среде, для мониторинга содержания окислов углерода СО и СО₂, например, в выдыхаемом воздухе, в атмосфере, в частности, для биомедицинской диагностики.

Предшествующий уровень техники

Известны изобретения, направленные на решение задач в области газового анализа, в том числе состава выдыхаемого воздуха, основанные на масс-спектрометрии, например, такие, как «Медицинский прибор для анализа вдыхаемого и выдыхаемого воздуха» [1].

Однако, данный прибор, согласно его описанию, не обладает достаточной чувствительностью анализа.

Известен «Лазерный газоанализатор» [2], содержащий лазерную газоразрядную трубку, к которой подключены источник высоковольтного напряжения и блок охлаждения, расположенный на одной оптической оси с лазерной газоразрядной трубкой блок формирования луча, выполненный в виде дифракционной решетки на пьезокорректоре, и оптикоакустическую ячейку (ОАЯ), к которой подсоединены блок забора воздуха и измерительный микрофон, пироэлектрический датчик, подключенный через последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и блок сопряжения к входу персональной ЭВМ, отличающийся тем, что газоанализатор дополнительно содержит фоновый микрофон, расположенные на одной оптической оси с оптико-акустической ячейкой реперную коювету и дополнительный пироэлектрический датчик, подключенный аналогично основному пироэлектрическому датчику, а также дифференциальный усилитель, в блоке формирования луча дифракционная решетка и пьезокорректор расположены в тангенциальном узле, связанном с шаговым двигателем, за тангенциальным узлом установлено поворотное зеркало, направляющее излучение на входное окно ОАЯ, причем выходы измерительного и фонового микрофонов через дифференциальный усилитель подключены к АЦП, выходы блока управления соединены с соответствующими входами пьезокорректора и шагового двигателя блока формирования луча, выход персональной ЭВМ через блок сопряжения соединен с блоком управления

Описанное в [2] устройство при всей сложности конструкции, не может обеспечить сочетания требуемых аналитических характеристик, таких как чувствительность, точность, селективность для одновременного анализа нескольких газовых компонент в анализируемой газовой среде.

Известен «Оптический газоанализатор» [3], содержащий перестраиваемый по частоте полупроводниковый лазер с устройством ввода оптического излучения в моноволокно, волоконно-оптическую линию, измерительную ячейку и оптоэлектронный преобразователь с устройством регистрации сигнала, отличающийся тем, что оптическая схема измерительной ячейки содержит вогнутое сферическое или параболическое зеркало, оптически сопряженное с выходным или входным торцом моноволокна так, что названный торец и его изображение полностью совпадают, а разделение оптического излучения, транслируемого моноволокном к измерительной ячейке и в обратном направлении к оптоэлектронному преобразователю, осуществляется посредством тонкой плоскопараллельной пластины, установленной под углом, большим, чем угол полного внутреннего отражения, в котором также измерительная ячейка может быть выполнена в виде оптического волновода - алюминиевой тонкостенной трубки с полированной внутренней поверхностью, свернутой в форме цилиндрической пружины или плоской спирали. В данном оптическом газоанализаторе труднореализуемо одновременное измерение разных компонентов газовой смеси.

Таким образом, применительно к одновременному анализу нескольких газовых компонент в анализируемой газовой смеси, например, содержания СО и СО₂ в выдыхаемом воздухе, все вышеуказанные устройства имеют существенные недостатки, делающие затруднительным решение поставленной задачи.

Техническим результатом, на достижение которого направлена предлагаемая полезная модель, является создание устройства, реализующего одновременное определение концентрации молекул СО и СО₂, которое было бы применимо для одновременного определения содержания молекул СО и СО₂ и анализа их относительного содержания в газообразной среде, и, в частности, в выдыхаемом воздухе, с возможностью использования линий поглощения СО и линий поглощения СО₂ , попадающих в спектральную область, с возможностью подбора по химическому составу перестраиваемого диодного лазера и фотодиода, с использованием в качестве объекта спектрального анализа, содержащего СО и СО₂, газообразной среды, в том числе выдыхаемого воздуха, с обеспечением точности, селективности и наглядности полученных результатов.

Раскрытие полезной модели

Технический результат достигается тем, что предложено устройство для одновременного определения концентрации молекул СО и СО₂ в газообразной среде.

1. Устройство для одновременного определения концентрации молекул СО и СО ₂ в газообразной среде, выполненное с возможностью ввода параметров лазерной аналитической системы и запуска процесса лазерного спектрального анализа, а также с возможностью выбора спектральных и частотных характеристик лазерного излучения, температурного режима работы используемого лазера, параметров сканирования спектров, их регистрации, оцифровки, передачи, буферирования, хранения, обработки спектральных данных, включающее в качестве используемого лазера перестраиваемый диодный лазер на основе соединения PbEuSe, выполненный с возможностью генерации монохроматического и контролируемым образом перестраиваемого по частоте оптического излучения, длина волны которого лежит в той спектральной области, в которой расположены используемые для анализа линии поглощения СО и СО₂ , находящихся в газообразном состоянии, включающее также систему управления, выполненную с возможностью поддержания заданных параметров, синхронизации циклов сканирования спектров, осуществления регистрации спектров, их оцифровки, а также с возможностью передачи, буферирования, хранения, обработки спектральных данных, выдачи результатов измерений, систему термостабилизации, выполненную с возможностью настройки используемого лазера на спектральный диапазон, в котором лежат аналитические линии поглощения СО и СО₂, и поддержания с необходимой точностью рабочей температуры используемого лазера и его рабочей длины волны, систему накачки и управления спектральными и мощностными параметрами излучения используемого лазера, выполненную с возможностью генерации тока определенной амплитуды и формы, используемого для накачки перестраиваемого диодного лазера, и управления спектральными и мощностными параметрами излучения используемого лазера посредством изменения амплитудных и временных параметров тока накачки, систему формирования пространственных характеристик лазерного пучка, выполненную с возможностью коллимации расходящегося излучения используемого лазера в пучок, пригодный для пропускания через исследуемый объект, и фокусировки на систему детектирования оптического излучения, выполненную с возможностью выделения в принимаемом модулированном лазерном сигнале радиочастотной составляющей, содержащей информацию о спектрах пропускания исследуемой среды, и обращения ее в электрический радиочастотный сигнал, систему предварительного усиления регистрируемого радиочастотного сигнала, выполненную с возможностью предварительного усиления регистрируемого с помощью фотодетектора радиочастотного сигнала, содержащего информацию о спектрах пропускания исследуемой среды и, в случае необходимости, аналогового дифференцирования регистрируемого сигнала, систему оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала, выполненную с возможностью перевода аналогового радиочастотного сигнала, регистрируемого с помощью фотодетектора и содержащего информацию о спектрах пропускания исследуемой среды, в цифровую форму, с возможностью считывания получаемого цифрового сигнала и передачи его в память устройства, предназначенного для накопления и хранения цифровой информации, систему обработки лазерных спектров пропускания, выполненную с возможностью обработки получаемой информации и расчета спектра коэффициента поглощения в анализируемых линиях СО и СО₂ в регистрируемом диапазоне спектра, систему вывода результирующих данных, выполненную с возможностью вывода и визуализации полученных данных абсолютного и относительного содержания молекул СО и СО ₂ в анализируемой среде, а также других промежуточных результатов обработки спектров, отражающих изменения измеряемых параметров, при этом ввод основных параметров возможен посредством системы управления, которая выполнена с возможностью передачи информации на систему термостабилизации, накачки и управления спектральными и мощностными параметрами излучения используемого лазера, которая сопряжена с используемым лазером, а также на систему оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала и систему обработки лазерных спектров пропускания, выбор параметров системы также возможен посредством системы управления, с которой сопряжен используемый лазер, который, в свою очередь, сопряжен с системой термостабилизации и с системой формирования пространственных характеристик лазерного пучка, с которой последовательно соединены объект спектрального анализа, содержащий СО и CO₂, система детектирования лазерного излучения, система предварительного усиления регистрируемого радиочастотного сигнала, система оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала, система обработки лазерных спектров пропускания, выполненная с возможностью одновременного анализа содержания молекул СО и СО₂ в объекте спектрального анализа с возможностью использования линий поглощения СО и линий поглощения СО₂ , попадающих в спектральную область, перекрываемую перестраиваемым диодным лазером на основе соединения PbEuSe, а именно с возможностью использования не перекрывающихся с линиями поглощения паров воды линий поглощения Р-ветви СО из фундаментальной колебательно-вращательной полосы 1-0 и линий поглощения полосы 20001-01101 СО₂ , расположенных в спектральном диапазоне от 2100 см^-1 до 2125 см^-1, с возможностью регистрации спектра пропускания СО и СО₂ посредством перестраиваемого диодного лазера на основе соединения PbEuSe, работающего в данном спектральном диапазоне, с возможностью сканирования оптической частоты лазера в спектральном диапазоне от 1 см^-1 до 10 см^-1 за счет накачки лазера периодически повторяющимися импульсами тока амплитудой от 50 мА до 3000 мА, длительностью от 50 мкс до 10000 мкс и частотой повторения от 20 Гц до 10 кГц, с возможностью пропускания лазерного излучения через многоходовую оптическую кювету, содержащую исследуемую газовую среду, с длиной оптического пути от 1 до 100 метров, с возможностью детектирования прошедшего через анализируемую среду лазерного излучения с помощью фотодиода на основе соединения InSb с диаметром чувствительной площадки от 100 мкм до 2 мм и быстродействием от 10 не до 200 нс, с использованием в качестве объекта спектрального анализа, содержащего СО и СО₂, газообразной среды, в том числе выдыхаемого воздуха.

Устройство для одновременного определения концентрации молекул СО и СО₂, представленное схематично на Фиг 1, включает следующие основные элементы:

Используемый лазер 3 - перестраиваемый диодный лазер на основе соединения PbEuSe.

Предназначен для генерации монохроматического и контролируемым образом перестраиваемого по частоте оптического излучения, длина волны которого лежит в спектральной области, где расположены используемые для анализа линии поглощения СО и СО₂, находящихся в газообразном состоянии.

Система управления 4

Предназначена для поддержания заданных параметров системы, синхронизации циклов сканирования спектров, осуществления регистрации спектров и их оцифровки, а также передачи, буферирования, хранения и обработки спектральных данных и выдачи результата измерений.

Система термостабилизации 5 Предназначена для настройки перестраиваемого диодного лазера на спектральный диапазон, в котором лежат аналитические линии поглощения СО и СО₂, и поддержания с необходимой точностью рабочей температуры лазера и его рабочей длины волны.

Система накачки и управления спектральными и мощностными параметрами излучения перестраиваемого диодного лазера 6.

Предназначена для генерации тока определенной амплитуды и формы, используемого для накачки перестраиваемого диодного лазера, и управления спектральными и мощностными параметрами излучения используемого перестраиваемого диодного лазера посредством изменения амплитудных и временных параметров тока накачки.

Система формирования пространственных характеристик лазерного пучка 7.

Предназначена для коллимации расходящегося излучения перестраиваемого диодного лазера в пучок, пригодный для пропускания через исследуемый объект, и фокусировки на устройство детектирования оптического излучения.

Система детектирования лазерного излучения 9.

Предназначена для выделения в принимаемом модулированном лазерном сигнале радиочастотной составляющей, содержащей информацию о спектрах пропускания исследуемой среды, и обращения ее в электрический радиочастотный сигнал.

Система предварительного усиления регистрируемого радиочастотного сигнала 10.

Предназначена для предварительного усиления регистрируемого с помощью фотодетектора радиочастотного сигнала, содержащего информацию о спектрах пропускания исследуемой среды и, если необходимо, для аналогового дифференцирования регистрируемого сигнала.

Система оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала 11.

Предназначена для перевода аналогового радиочастотного сигнала, регистрируемого с помощью фотодетектора и содержащего информацию о спектрах пропускания исследуемой среды, в цифровую форму, считывания получаемого цифрового сигнала и передачи его в память электронного устройства, предназначенного для накопления и хранения цифровой информации.

Система обработки лазерных спектров пропускания 12.

Предназначена для обработки получаемой информации и расчета спектра коэффициента поглощения в аналитических линиях СО и СО₂ в регистрируемом диапазоне спектра.

Система вывода 14 результирующих данных 13

Предназначена для вывода и визуализации полученных данных в виде численного значения абсолютного и относительного содержания молекул СО и СО₂ в анализируемой среде, а также и других промежуточных результатов обработки спектров, кривой на мониторе или экране, отражающей изменения измеряемых величин со временем, и/или в виде файла, содержащего последовательность цифровых данных по абсолютному и относительному содержанию молекул СО и СО₂ в анализируемой среде и другим промежуточным результатам.

Объект спектрального анализа 8, содержащий СО и СО₂, находящийся в открытой атмосфере или в герметичном объеме, снабженном устройствами ввода и вывода излучения и напуска анализируемой среды. Предназначен для измерения его спектров пропускания в используемом спектральном диапазоне и определения в нем абсолютного и относительного содержания молекул СО и СО₂.

Предлагаемое устройство для одновременного определения концентрации молекул СО и СО ₂ выполнено:

По позиции 1 на схеме - с возможностью ввода параметров лазерной аналитической системы, с возможностью запуска процесса лазерного спектрального анализа. По позиции 2 на схеме - с возможностью выбора спектральных и частотных характеристик лазерного излучения, с возможностью выбора температурного режима работы используемого лазера, с возможностью выбора параметров сканирования спектров, их регистрации, оцифровки, передачи, буферирования, хранения, обработки спектральных данных посредством системы управления 4. Предлагаемое устройство для одновременного определения концентрации молекул СО и СО₂ включает:

- в качестве используемого лазера - перестраиваемый диодный лазер на основе соединения PbEuSe, выполненный с возможностью генерации монохроматического и контролируемым образом перестраиваемого по частоте оптического излучения, длина волны которого лежит в той спектральной области, в которой расположены используемые для анализа линии поглощения молекул СО и СО₂, находящихся в газообразном состоянии,

- систему управления, выполненную с возможностью поддержания заданных параметров, синхронизации циклов сканирования спектров, осуществления регистрации спектров, их оцифровки, а также с возможностью передачи, буферирования, хранения, обработки спектральных данных, выдачи результатов измерений,

- систему термостабилизации, выполненную с возможностью настройки используемого лазера на спектральный диапазон, в котором лежат аналитические линии поглощения СО и СО₂, и поддержания с необходимой точностью рабочей температуры используемого лазера и его рабочей длины волны,

- систему накачки и управления спектральными и мощностными параметрами излучения используемого лазера, выполненную с возможностью генерации тока определенной амплитуды и формы, используемого для накачки перестраиваемого диодного лазера, и управления спектральными и мощностными параметрами излучения используемого лазера посредством изменения амплитудных и временных параметров тока накачки,

- систему формирования пространственных характеристик лазерного пучка, выполненную с возможностью коллимации расходящегося излучения используемого лазера в пучок, пригодный для пропускания через исследуемый объект, и фокусировки на систему детектирования,

- систему детектирования оптического излучения, выполненную с возможностью выделения в принимаемом модулированном лазерном сигнале радиочастотной составляющей, содержащей информацию о спектрах пропускания исследуемой среды, и обращения ее в электрический радиочастотный сигнал,

- систему предварительного усиления регистрируемого радиочастотного сигнала, выполненную с возможностью предварительного усиления регистрируемого с помощью фотодетектора радиочастотного сигнала, содержащего информацию о спектрах пропускания исследуемой среды и, в случае необходимости, аналогового дифференцирования регистрируемого сигнала,

- систему оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала, выполненную с возможностью перевода аналогового радиочастотного сигнала, регистрируемого с помощью фотодетектора и содержащего информацию о спектрах пропускания исследуемой среды, в цифровую форму, с возможностью считывания получаемого цифрового сигнала и передачи его в память устройства, предназначенного для накопления и хранения цифровой информации,

- систему обработки лазерных спектров пропускания, выполненную с возможностью обработки получаемой информации и расчета спектра коэффициента поглощения в анализируемых линиях СО и СО₂ в регистрируемом диапазоне спектра,

- систему вывода результирующих данных, выполненную с возможностью вывода и визуализации полученных данных абсолютного и относительного содержания молекул СО и СО₂ в анализируемой среде, а также других промежуточных результатов обработки спектров, отражающих изменения измеряемых параметров,

Ввод основных параметров возможен посредством системы управления, которая выполнена с возможностью передачи информации на систему термостабилизации, накачки и управления спектральными и мощностными параметрами излучения используемого лазера, которая сопряжена с используемым лазером, а также на систему оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала и систему обработки лазерных спектров пропускания.

Выбор параметров системы также возможен посредством системы управления, с которой сопряжен используемый лазер.

Используемый лазер сопряжен с системой термостабилизации и с системой формирования пространственных характеристик лазерного пучка, с которой последовательно соединены:

- объект спектрального анализа, содержащий СО и CO₂,

- система детектирования лазерного излучения,

- система предварительного усиления регистрируемого радиочастотного сигнала,

- система оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала,

- система обработки лазерных спектров пропускания.

Система обработки лазерных спектров пропускания выполнена с возможностью одновременного анализа содержания молекул СО и CO₂ в объекте спектрального анализа с возможностью использования линий поглощения СО и линий поглощения СО₂, попадающих в спектральную область, перекрываемую перестраиваемым диодным лазером на основе соединения PbEuSe, а именно с возможностью использования не перекрывающихся с линиями поглощения паров воды линий поглощения Р-ветви СО из фундаментальной колебательно-вращательной полосы 1-0 и линий поглощения полосы 20001-01101 СО₂, расположенных в спектральном диапазоне от 2100 см^-1 до 2125 см^-1, с возможностью регистрации спектра пропускания СО и CO₂ посредством перестраиваемого диодного лазера на основе соединения PbEuSe, работающего в данном спектральном диапазоне, с возможностью сканирования оптической частоты лазера в спектральном диапазоне от 1 см ^-1 до 10 см^-1 за счет накачки лазера периодически повторяющимися импульсами тока амплитудой от 50 мА до 3000 мА, длительностью от 50 мкс до 10000 мкс и частотой повторения от 20 Гц до 10 кГц, с возможностью пропускания лазерного излучения через многоходовую оптическую кювету, содержащую исследуемую газовую среду, с длиной оптического пути от 1 до 100 метров, с возможностью детектирования прошедшего через анализируемую среду лазерного излучения с помощью фотодиода на основе соединения InSb с диаметром чувствительной площадки от 100 мкм до 2 мм и быстродействием от 10 нс до 200 нс., с использованием в качестве объекта спектрального анализа, содержащего СО и СО₂ , газообразной среды, а также с возможностью использования выдыхаемого воздуха в качестве объекта спектрального анализа, содержащего СО и СО₂.

Пример одновременного определения концентрации молекул СО и СО₂ в газообразной среде

Посредством системы управления вводят основные параметры системы, такие как: рабочая температура лазера, ток накачки лазера, режим модуляции оптической частоты лазера, режим регистрации и оцифровки детектируемого сигнала, параметры обработки спектров пропускания, режим вывода и визуализации получаемых результатов. С ее помощью осуществляют также поддержание перечисленных выше заданных параметров системы, поддержание и синхронизацию циклов сканирования спектров, их регистрации, оцифровки, передачи, буферирования, хранения, обработки спектральных данных и выдачи результата измерений. Система термостабилизации рабочей температуры используемого в примере лазера - перестраиваемого диодного лазера на основе соединения PbEuSe - представляет собой совокупность электронной системы автоматического управления и криостата, включающего датчики температуры, активный нагревательный элемент и охлаждающее устройство. Для получения криогенных температур используется, например, система на основе заливного азотного криостата. Системой термостабилизации температуру теплообменника, на котором смонтирован лазер, поддерживают около заданного значения, которое зависит от параметров лазера и может лежать вблизи температур жидкого азота от 78 до 120 К. Система накачки и управления спектральными и мощностными параметрами излучения используемого лазера представляет собой источник периодически повторяющихся импульсов тока, имеющих определенную частоту повторения, определенную длительность импульсов, определенную амплитуду тока. В качестве лазера используют перестраиваемый диодный лазер на основе соединения PbEuSe, работающий в данном спектральном диапазоне, с возможностью сканирования оптической частоты лазера в спектральном диапазоне от 1 см^-1 до 10 см^-1, за счет накачки лазера периодически повторяющимися импульсами тока амплитудой от 50 мА до 3000 мА, длительностью от 50 мкс до 10000 мкс и частотой повторения от 20 Гц до 10 кГц,

Накачка такого лазера токовыми импульсами с определенными параметрами позволяет получить перестройку частоты в течение одного импульса, что достаточно для регистрации в одном импульсе двух линий поглощения, одна из которых принадлежит молекулам СО, а другая - молекулам СО ₂.

Для формирования пространственных характеристик лазерного пучка применяют объектив, фокусирующий излучение на чувствительную площадку фотодетектора. Лазерное излучение пропускают через многоходовую оптическую кювету с определенной длиной оптического пути в интервале значений от 1 до 100 метров, снабженную окошками и устройствами напуска анализируемой среды, в которой находится объект спектрального анализа, содержащий СО и СО₂.

Для детектирования лазерного излучения в указанных в примере диапазонах используют фотодиод на основе соединения InSb с диаметром чувствительной площадки, например, равным 500 мкм из указанного интервала значений от 100 мкм до 2 мм и быстродействием, например, равным 10 нс из указанного интервала значений от 10 нс до 200 нс. С его помощью производят регистрацию лазерного излучения, в результате из принимаемого модулированного лазерного сигнала выделяют радиочастотную составляющую, содержащую информацию о спектрах пропускания исследуемой среды, и обращают в электрический радиочастотный сигнал, затем осуществляют предварительное усиление регистрируемого с помощью фотодетектора радиочастотного сигнала, содержащего информацию о спектрах пропускания исследуемой среды посредством токового усилителя, выполненного, например, на основе стандартных дифференциальных усилителей.

При необходимости, одновременно с усилением регистрируемого сигнала производят его аналоговое дифференцирование, далее осуществляют перевод аналогового радиочастотного сигнала, регистрируемого с помощью фотодетектора и содержащего информацию о спектрах пропускания исследуемой среды, в цифровую форму, считывание получаемого цифрового сигнала и передачу его в память программно-аппаратного комплекса, предназначенную для накопления и хранения цифровой информации. Система обработки лазерных спектров пропускания, например, компьютерная программа, осуществляет поддержку работы всего программно-аппаратного комплекса. С помощью него осуществляют математическую обработку получаемой цифровой информации - спектров пропускания, позволяющую рассчитывать спектр коэффициента поглощения в аналитических линиях СО и СО ₂ в регистрируемом диапазоне спектра. С помощью системы расчета абсолютного и относительного содержания молекул СО и СО₂ в анализируемой среде осуществляют расчет концентрации СО и СО₂ в анализируемой среде, а также их относительного содержания. С помощью системы вывода результирующих данных осуществляют вывод и визуализацию полученных данных в виде численного значения абсолютного и относительного содержания молекул СО и СО₂ в анализируемой среде, кривой на мониторе или экране, отражающей изменения измеряемой величины со временем, и/или в виде файла, содержащего последовательность цифровых данных по абсолютному и относительному содержанию молекул СО и СО₂ в анализируемой среде.

В примере для одновременного анализа содержания молекул СО и СО₂ в объекте спектрального анализа используют линии поглощения СО и линии поглощения СО₂, попадающие в спектральную область, перекрываемую перестраиваемым диодным лазером на основе соединения PbEuSe, а именно используют не перекрывающиеся с линиями поглощения паров воды линии поглощения Р-ветви СО из фундаментальной колебательно-вращательной полосы 1-0 и линии поглощения полосы 20001-01101 СО₂, расположенные в спектральном диапазоне от 2100 см^-1 до 2125 см ^-1, регистрируют спектр пропускания СО и СО₂ посредством перестраиваемого диодного лазера на основе соединения PbEuSe, работающего в данном спектральном диапазоне, для чего сканируют оптическую частоту лазера в спектральном диапазоне от 1 см^-1 до 10 см^-1 за счет накачки лазера периодически повторяющимися импульсами тока амплитудой от 50 мА до 3000 мА, длительностью от 50 мкс до 10000 мкс и частотой повторения от 20 Гц до 10 кГц, пропускают лазерное излучение через многоходовую оптическую кювету, содержащую исследуемую газовую среду, с длиной оптического пути от 1 до 100 метров, детектируют прошедшее через анализируемую среду лазерное излучение с помощью фотодиода на основе соединения InSb с диаметром чувствительной площадки от 100 мкм до 2 мм и быстродействием от 10 до 200 нс, в качестве объекта спектрального анализа, содержащего СО и CO ₂, используют газообразную среду, в частности, выдыхаемый воздух.

На Фиг.2 для одновременного анализа содержания молекул СО и СО₂ и их относительной концентрации в выдыхаемом воздухе используют линии поглощения Р-ветви СО из фундаментальной колебательно-вращательной полосы 1-0 и линии поглощения «горячей» полосы 20001-01101 СО₂ , расположенные в спектральном интервале от 2100 см^-1 до 2125 см^-1. Для селективного анализа наиболее удобна линия поглощения Р(8) СО, с частотой центра 2111.8 см^-1 и рядом с ней расположенная линия поглощения СО₂. Спектр пропускания СО и СО₂ регистрируется с помощью перестраиваемого диодного лазера на основе соединения PbEuSe, работающего в данном спектральном диапазоне. Сканируют оптическую частоту лазера в спектральном диапазоне от 1 см^-1 до 10 см^-1, например, вблизи 3 см^-1, за счет накачки лазера периодически повторяющимися импульсами тока амплитудой от 50 мА до 3000 мА, например, используют амплитуду 100 мА, длительностью от 50 мкс до 10000 мкс, например, 2500 мкс, и частотой повторения от 20 Гц до 10 кГц, например, 120 Гц. Лазерное излучение пропускают через многоходовую оптическую кювету, содержащую исследуемую газовую среду, с длиной оптического пути от 1 до 100 метров, например, 15 метров. Прошедшее через анализируемую среду лазерное излучение детектируют с помощью фотодиода на основе соединения InSb с диаметром чувствительной площадки от 100 мкм до 2 мм, например, 500 мкм, и быстродействием от 10 до 200 нс, например, 10 нс, и регистрируют лазерный спектр пропускания среды, содержащий исследуемые линии поглощения молекул СО и СО₂. Используя средства программно-аппаратного комплекса, регистрируемый спектр оцифровывают и рассчитывают спектр коэффициента поглощения анализируемой среды, из которого определяют концентрации СО и CO₂ и их относительное содержание.

В качестве частного случая, описанного в примере, на рисунке показан лазерный спектр пропускания выдыхаемого воздуха, содержащего СО и CO₂, вблизи 2112 см ^-1.

А - спектр пропускания выдыхаемого воздуха, регистрируемый с помощью указанного перестраиваемого диодного лазера, длина волны излучения соответствует частоте излучения 2112 см^-1, указаны линия СО и справа от нее линия СО₂, параметры лазерного импульса: длительность импульса, частота повторения, амплитуда тока накачки, длина оптического пути, содержание СО, относительное содержание СО₂.

Б-спектр коэффициента поглощения СО и СО₂ , получаемый в результате обработки лазерного спектра пропускания (А) и используемый для вычисления относительного содержания анализируемых веществ.

Для того, чтобы повысить чувствительность устройства для определения относительной концентрации молекул СО и СО₂, регистрируют и применяют первую и/или вторую производные спектров пропускания СО и СО₂. Для этого в системе предварительного усиления регистрируемого радиочастотного сигнала используют дифференциальное усиление детектируемого с помощью фотодетектора радиочастотного сигнала или дополнительный фильтр высоких частот, настроенный на требуемый радиочастотный диапазон, позволяющие получить на выходе блока предварительного усиления регистрируемого радиочастотного сигнала аналоговый сигнал, соответствующий первой или второй производным спектра пропускания. При этом искомые концентрации молекул СО и СО₂ пропорциональны размаху резонансных особенностей, образуемых первой или второй производными линий поглощения СО и CO₂ и интенсивностям лазерного излучения на частотах резонансного поглощения в линиях СО и CO₂, которые учитывают при проведении вычислений. В этом случае для расчета абсолютного и относительного содержания молекул СО и CO₂ в исследуемой среде систему обработки лазерных спектров пропускания настраивают на работу со спектрами производных линий поглощения.

При низком содержании молекул СО и СО₂ в исследуемой газовой среде результат получается более точным.

Для повышения чувствительности определения абсолютной и относительной концентрации молекул СО и СО₂ используют многоходовые оптические схемы пропускания лазерного излучения через анализируемую среду, позволяющие увеличить величину резонансного поглощения в линиях СО и СО₂ при сохранении габаритов оптической кюветы. В этом случае при низком содержании молекул СО и СО₂ в исследуемой среде результат также получается более точным.

Таким образом, предложенное устройство позволяет осуществить одновременное определение концентрации молекул СО и СО₂, которое применимо для одновременного определения содержания молекул СО и CO₂ и анализа их относительного содержания в газообразной среде, и, в частности, в выдыхаемом воздухе, с возможностью использования линий поглощения СО и линий поглощения СО₂, попадающих в спектральную область, с возможностью подбора по химическому составу перестраиваемого диодного лазера и фотодиода, с использованием в качестве объекта спектрального анализа, содержащего СО и СО ₂, газообразной среды, в том числе выдыхаемого воздуха, с обеспечением точности, селективности и наглядности полученных результатов.

Промышленная применимость

Предложенная полезная модель является промышленно применимой и новой в области лазерной спектроскопии и анализа, а именно в области применения перестраиваемых полупроводниковых лазеров и может быть использована для диагностики и анализа абсолютного и относительного содержания окислов углерода в газообразной среде посредством перестраиваемых диодных лазеров, в частности, для определения абсолютного и относительного содержания молекул СО и СО₂ в выдыхаемом воздухе, в атмосфере, например для целей биомедицинской диагностики.

Полезная модель применима для одновременного определения содержания молекул СО и СО₂ и анализа изменения их относительного содержания в газообразной среде, и в частности, в выдыхаемом воздухе, с возможностью использования линий поглощения СО и линий поглощения CO₂, попадающих в спектральную область, перекрываемую указанным перестраиваемым диодным лазером, а именно с возможностью использования не перекрывающиеся с линиями поглощения паров воды линий поглощения определенных линий поглощения СО и линий поглощения СО₂, расположенных в определенном спектральном диапазоне, с возможностью регистрации спектра пропускания СО и СО₂ посредством указанного перестраиваемого диодного лазера, работающего в определенном спектральном диапазоне, с возможностью сканирования оптической частоты лазера в определенном спектральном диапазоне, за счет накачки лазера периодически повторяющимися импульсами тока определенной амплитуды, длительности и частотой повторения, с возможностью пропускания лазерного излучения через многоходовую оптическую кювету, содержащую исследуемую газовую среду, с длиной определенного оптического пути, с возможностью детектирования прошедшего через анализируемую среду лазерного излучения с помощью указанного фотодиода, с использованием в качестве объекта спектрального анализа, содержащего СО и СО₂ газообразной среды, в том числе выдыхаемого воздуха

Спектр применения указанной полезной модели довольно широк: для неинвазивной медицинской диагностики, для контроля и управления процессами горения в энергетических установках. Предлагаемое устройство предназначено для широкого применения в биотехнологии, в медицине, в фармацевтике, энергетике и других областях народного хозяйства.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ:

1. Описание к А.С. 293378. А61В 5/00 Публ. 28.08.1973 г.

2. Патент РФ 2082960, МПК 6 G01N 21/37, Публ. 1997.06.27

3. Патент РФ 2278371 МПК (2006.01) G01N 21/61, Публ. 2006.06.20

Устройство для одновременного определения концентрации молекул СО и СО₂ в газообразной среде, выполненное с возможностью ввода параметров лазерной аналитической системы и запуска процесса лазерного спектрального анализа, а также с возможностью выбора спектральных и частотных характеристик лазерного излучения, температурного режима работы используемого лазера, параметров сканирования спектров, их регистрации, оцифровки, передачи, буферирования, хранения, обработки спектральных данных, включающее в качестве используемого лазера перестраиваемый диодный лазер на основе соединения PbEuSe, выполненный с возможностью генерации монохроматического и контролируемым образом перестраиваемого по частоте оптического излучения, длина волны которого лежит в той спектральной области, в которой расположены используемые для анализа линии поглощения СО и СО₂ , находящихся в газообразном состоянии, включающее также систему управления, выполненную с возможностью поддержания заданных параметров, синхронизации циклов сканирования спектров, осуществления регистрации спектров, их оцифровки, а также с возможностью передачи, буферирования, хранения, обработки спектральных данных, выдачи результатов измерений, систему термостабилизации, выполненную с возможностью настройки используемого лазера на спектральный диапазон, в котором лежат аналитические линии поглощения СО и СО₂, и поддержания с необходимой точностью рабочей температуры используемого лазера и его рабочей длины волны, систему накачки и управления спектральными и мощностными параметрами излучения используемого лазера, выполненную с возможностью генерации тока определенной амплитуды и формы, используемого для накачки перестраиваемого диодного лазера, и управления спектральными и мощностными параметрами излучения используемого лазера посредством изменения амплитудных и временных параметров тока накачки, систему формирования пространственных характеристик лазерного пучка, выполненную с возможностью коллимации расходящегося излучения используемого лазера в пучок, пригодный для пропускания через исследуемый объект, и фокусировки на систему детектирования оптического излучения, выполненную с возможностью выделения в принимаемом модулированном лазерном сигнале радиочастотной составляющей, содержащей информацию о спектрах пропускания исследуемой среды, и обращения ее в электрический радиочастотный сигнал, систему предварительного усиления регистрируемого радиочастотного сигнала, выполненную с возможностью предварительного усиления регистрируемого с помощью фотодетектора радиочастотного сигнала, содержащего информацию о спектрах пропускания исследуемой среды и, в случае необходимости, аналогового дифференцирования регистрируемого сигнала, систему оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала, выполненную с возможностью перевода аналогового радиочастотного сигнала, регистрируемого с помощью фотодетектора и содержащего информацию о спектрах пропускания исследуемой среды, в цифровую форму, с возможностью считывания получаемого цифрового сигнала и передачи его в память устройства, предназначенного для накопления и хранения цифровой информации, систему обработки лазерных спектров пропускания, выполненную с возможностью обработки получаемой информации и расчета спектра коэффициента поглощения в анализируемых линиях СО и СО₂ в регистрируемом диапазоне спектра, систему вывода результирующих данных, выполненную с возможностью вывода и визуализации полученных данных абсолютного и относительного содержания молекул СО и СО ₂ в анализируемой среде, а также других промежуточных результатов обработки спектров, отражающих изменения измеряемых параметров, при этом ввод основных параметров возможен посредством системы управления, которая выполнена с возможностью передачи информации на систему термостабилизации, накачки и управления спектральными и мощностными параметрами излучения используемого лазера, которая сопряжена с используемым лазером, а также на систему оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала и систему обработки лазерных спектров пропускания, выбор параметров системы также возможен посредством системы управления, с которой сопряжен используемый лазер, который, в свою очередь, сопряжен с системой термостабилизации и с системой формирования пространственных характеристик лазерного пучка, с которой последовательно соединены объект спектрального анализа, содержащий СО и СО₂, система детектирования лазерного излучения, система предварительного усиления регистрируемого радиочастотного сигнала, система оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала, система обработки лазерных спектров пропускания, выполненная с возможностью одновременного анализа содержания молекул СО и СО₂ в объекте спектрального анализа с возможностью использования линий поглощения СО и линий поглощения СО₂ , попадающих в спектральную область, перекрываемую перестраиваемым диодным лазером на основе соединения PbEuSe, а именно с возможностью использования не перекрывающихся с линиями поглощения паров воды линий поглощения Р-ветви СО из фундаментальной колебательно-вращательной полосы 1-0 и линий поглощения полосы 20001-01101 СО₂ , расположенных в спектральном диапазоне от 2100 см^-1 до 2125 см^-1, с возможностью регистрации спектра пропускания СО и СО₂ посредством перестраиваемого диодного лазера на основе соединения PbEuSe, работающего в данном спектральном диапазоне, с возможностью сканирования оптической частоты лазера в спектральном диапазоне от 1 см^-1 до 10 см^-1 за счет накачки лазера периодически повторяющимися импульсами тока амплитудой от 50 мА до 3000 мА, длительностью от 50 мкс до 10000 мкс и частотой повторения от 20 Гц до 10 кГц, с возможностью пропускания лазерного излучения через многоходовую оптическую кювету, содержащую исследуемую газовую среду, с длиной оптического пути от 1 до 100 м, с возможностью детектирования прошедшего через анализируемую среду лазерного излучения с помощью фотодиода на основе соединения InSb с диаметром чувствительной площадки от 100 мкм до 2 мм и быстродействием от 10 нс до 200 нс, с использованием в качестве объекта спектрального анализа, содержащего СО и СО₂, газообразной среды, в том числе выдыхаемого воздуха.