Устройство для определения относительной концентрации молекул орто- и параводы

Технический результат достигается тем, что предложено устройство для определения относительной концентрации молекул орто- и параводы.

1. Устройство для определения относительной концентрации молекул орто- и параводы, включающее систему ввода основных параметров, систему выбора параметров, перестраиваемый диодный лазер, систему управления, систему термостабилизации, систему накачки и управления спектральными и мощностными параметрами излучения перестраиваемого диодного лазера, систему формирования пространственных характеристик лазерного пучка, объект спектрального анализа, содержащий пары орто- и параводы, находящийся в открытой атмосфере или в герметичном объеме, снабженном устройствами ввода и вывода излучения и напуска анализируемой среды, систему детектирования лазерного излучения, систему предварительного усиления регистрируемого радиочастотного сигнала, систему оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала, систему обработки лазерных спектров пропускания, систему расчета относительного содержания молекул орто- и параводы в анализируемой среде, систему вывода результирующих данных, при этом система ввода основных параметров сопряжена с системой управления, которая выполнена с возможностью передачи информации на систему термостабилизации, на систему накачки и управления спектральными и мощностными параметрами излучения перестраиваемого диодного лазера, которая сопряжена с перестраиваемым диодным лазером, а также на систему оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала и систему обработки лазерных спектров пропускания, система выбора параметров сопряжена с системой управления, перестраиваемый диодный лазер, в свою очередь, сопряжен с системой термостабилизации и с системой формирования пространственных характеристик лазерного пучка, с которым последовательно соединены объект спектрального анализа, система детектирования лазерного излучения, система предварительного усиления регистрируемого радиочастотного сигнала, система оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала, система обработки лазерных спектров пропускания, система расчета относительного содержания молекул орто- и параводы в анализируемой среде, система вывода результирующих данных, при этом система расчета относительного содержания молекул орто- и параводы в анализируемой среде выполнена с возможностью передачи информации на систему термостабилизации, на систему накачки и управления спектральными и мощностными параметрами излучения перестраиваемого диодного лазера, на систему оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала, на систему обработки лазерных спектров пропускания, выполненную для определения относительной концентрации молекул орто- и параводы с использованием перекрывающихся полос поглощения молекул орто- и параводы, с возможностью выбора пары близко расположенных линий поглощения, одна из которых принадлежит молекуле ортоводы, а вторая - молекуле параводы, с возможностью определения, путем сравнения величины резонансного поглощения в двух линиях, относительного содержания молекул орто- и параводы в исследуемом объекте спектрального анализа, с возможностью использования спектрального диапазона, в котором расположена одна из полос поглощения водяных паров, являющаяся обертоном или составным колебанием основных полос поглощения H₂O, с возможностью уменьшения температурной зависимости результатов измерения относительного содержания молекул орто- и параводы за счет выбора их линии поглощения с близкими нижними энергетическими уровнями, с возможностью повышения точности измерений за счет сужения динамического диапазона измерений с использованием линии поглощения молекул орто- и параводы с близкой интенсивностью, с использованием регистрируемых спектров пропускания исследуемой среды для расчета спектра коэффициента поглощения в линиях, с возможностью учета интенсивности лазерного излучения вне аналитических линий поглощения, с возможностью определения по интенсивности поглощения, с использованием данных о ширине, форме линий поглощения, длине оптического пути и температуре среды, концентрации исследуемых молекул, а также их относительного содержания, с возможностью увеличения чувствительности способа определения относительной концентрации молекул орто- и параводы регистрацией и использованием первой и/или второй производных спектров пропускания молекул орто- и пара-воды, с использованием дифференциального усиления детектируемого с помощью фотодетектора радиочастотного сигнала или дополнительного фильтра высоких частот, настроенного на требуемый радиочастотный диапазон, позволяющих получить на выходе предварительного усиления регистрируемого радиочастотного сигнала аналоговый сигнал, соответствующий первой или второй производным спектра пропускания, а также с возможностью использования для анализа относительного содержания молекул орто- и параводы в парах воды линий поглощения, принадлежащих составной колебательно-вращательной полосе ₁+₃, и расположенных вблизи 1.359 мкм, с возможностью использования для анализа молекул пара-воды линии поглощения этого изомера с частотой 7354.599 см^-1, а для анализа молекул орто-воды - линии поглощения на частоте 7355.557 см ^-1 с возможностью регистрации спектра пропускания молекул орто- и параводы с использованием перестраиваемого диодного лазера на основе соединения GaInAsP, работающего в указанном спектральном диапазоне с оптической частотой лазера сканируемой в аналитическом спектральном диапазоне, составляющем ~3 см^-1, за счет накачки лазера периодически повторяющимися импульсами тока амплитудой ~100 мА, длительностью ~3 мс и частотой повторения ~120 Гц., с пропусканием лазерного излучения через оптическую кювету, содержащую пары воды, длинной 20 см и диаметром 4 см, с возможностью детектирования прошедшего через анализируемую среду лазерного излучения с использованием фотодиода на основе соединения InGaAs, с возможностью регистрирации лазерного спектра пропускания среды, содержащий исследуемые линии поглощения молекул орто- и параводы.

Область применения

Полезная модель относится к области лазерной спектроскопии и анализа, а именно к области применения перестраиваемых диодных лазеров и может быть использована для диагностики молекул орто- и параводы с помощью перестраиваемых диодных лазеров для определения относительной концентрации молекул орто- и параводы.

Предшествующий уровень техники

Известно, что спиновые изомеры молекул воды обладают колебательно-вращательными уровнями различной симметрии. Благодаря этому, вращательные и колебательно-вращательные спектры молекул орто- и параводы различны, что позволяет различать эти изомеры спектрально с помощью способов высокого разрешения. Так как вероятность изменения суммарного ядерного спина при столкновении молекул очень мала, молекулы орто- и параводы в газовой фазе ведут себя как две разные модификации вещества, относительное содержание которых при нормальных условиях составляет 3:1. Различие энергетической структуры может приводить также к небольшому различию физико-химических свойств орто- и параводы и проявляться, например, при взаимодействии с сорбентами. Вследствие различного ядерного спина у изомеров воды в формировании их спектров поглощения в газообразном состоянии участвуют различные энергетические уровни, соответствующие разрешенным колебательно-вращательным состояниям молекул воды. Вследствие этого, каждая из этих двух молекул формирует свои собственные вращательные и колебательно-вращательные спектры поглощения, состоящие из набора отдельных спектрально разрешенных линий поглощения и лежащие в микроволновом, ближнем и среднем ИК-диапазонах.

Известен лазерный газоанализатор [1], содержащий систему отбора газа на анализ, аналитическую кювету и оптически с ней связанные твердотельный лазер с накачкой, линзы, зеркала и спектральный фильтр для формирования входного и выходного потоков излучения, спектральный прибор, приемник излучения, а также систему регистрации, электрически соединенную с приемником излучения, и ЭВМ для обработки и отображения данных и управления лазерным анализатором, отличающийся тем, что твердотельный лазер используют с диодной накачкой, в качестве спектрального фильтра применен сдвоенный топографический фильтр, в качестве спектрального прибора используют полихроматор с вогнутой дифракционной решеткой, а в качестве приемника излучения - фотодиодные линейки.

Известен помехозащищенный оптико-электронный газоанализатор [2], содержащий блок питания, лазер, декогерентор, оптическую кювету, спектральный элемент, оптическую систему, фотоприемник, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, блок управления, цифроаналоговый преобразователь, отличающийся тем, что к выходу блока питания подсоединены: лазер, фотоприемник, усилитель, а к входу присоединен блок управления через цифроаналоговый преобразователь; к кювете последовательно присоединены спектральный элемент, оптическая система, фотоприемник, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, блок управления; лазер, декогерентор и кювета соединены лучом проходящего света.

Вышеперечисленные аналоги, основанные на известных лазерных технологиях и обеспечивающие определенную чувствительность детектирования поглощения оптического излучения, не обеспечивают сочетания требуемых аналитических характеристик, таких как чувствительность, точность, селективность.

Актуальность проблемы требуют разработки простых и наглядных устройств для диагностики молекул орто- и параводы, посредством перестраиваемых диодных лазеров, обладающих определенной степенью точности, а также чувствительностью, селективностью и наглядностью.

Из общедоступных источников не известно устройство, отвечающее указанным требованиям в полном объеме, поэтому, техническим результатом, на достижение которого направлено данное изобретение, является создание такого устройства определения относительной концентрации молекул орто- и параводы, которое было бы простым в реализации, применимым для контроля спин-селективных процессов взаимодействия воды с поверхностью, сорбентами и сложными биологическими молекулами и процессов разделения спиновых модификаций воды, обеспечивало бы определенную степень точности, чувствительности, наглядности и селективности за счет выбора перестраиваемого диодного лазера и фотодиода.

Раскрытие полезной модели

Технический результат достигается тем, что предложено устройство для определения относительной концентрации молекул орто- и параводы.

1. Устройство для определения относительной концентрации молекул орто- и параводы, включающее систему ввода основных параметров, систему выбора параметров, перестраиваемый диодный лазер, систему управления, систему термостабилизации, систему накачки и управления спектральными и мощностными параметрами излучения перестраиваемого диодного лазера, систему формирования пространственных характеристик лазерного пучка, объект спектрального анализа, содержащий пары орто- и параводы, находящийся в открытой атмосфере или в герметичном объеме, снабженном устройствами ввода и вывода излучения и напуска анализируемой среды, систему детектирования лазерного излучения, систему предварительного усиления регистрируемого радиочастотного сигнала, систему оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала, систему обработки лазерных спектров пропускания, систему расчета относительного содержания молекул орто- и параводы в анализируемой среде, систему вывода результирующих данных, при этом система ввода основных параметров сопряжена с системой управления, которая выполнена с возможностью передачи информации на систему термостабилизации, на систему накачки и управления спектральными и мощностными параметрами излучения перестраиваемого диодного лазера, которая сопряжена с перестраиваемым диодным лазером, а также на систему оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала и систему обработки лазерных спектров пропускания, система выбора параметров сопряжена с системой управления, перестраиваемый диодный лазер, в свою очередь, сопряжен с системой термостабилизации и с системой формирования пространственных характеристик лазерного пучка, с которым последовательно соединены объект спектрального анализа, система детектирования лазерного излучения, система предварительного усиления регистрируемого радиочастотного сигнала, система оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала, система обработки лазерных спектров пропускания, система расчета относительного содержания молекул орто- и параводы в анализируемой среде, система вывода результирующих данных, при этом система расчета относительного содержания молекул орто- и параводы в анализируемой среде выполнена с возможностью передачи информации на систему термостабилизации, на систему накачки и управления спектральными и мощностными параметрами излучения перестраиваемого диодного лазера, на систему оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала, на систему обработки лазерных спектров пропускания, выполненную для определения относительной концентрации молекул орто- и параводы с использованием перекрывающихся полос поглощения молекул орто- и параводы, с возможностью выбора пары близко расположенных линий поглощения, одна из которых принадлежит молекуле ортоводы, а вторая - молекуле параводы, с возможностью определения, путем сравнения величины резонансного поглощения в двух линиях, относительного содержания молекул орто- и параводы в исследуемом объекте спектрального анализа, с возможностью использования спектрального диапазона, в котором расположена одна из полос поглощения водяных паров, являющаяся обертоном или составным колебанием основных полос поглощения Н₂О, с возможностью уменьшения температурной зависимости результатов измерения относительного содержания молекул орто- и параводы за счет выбора их линии поглощения с близкими нижними энергетическими уровнями, с возможностью повышения точности измерений за счет сужения динамического диапазона измерений с использованием линии поглощения молекул орто- и параводы с близкой интенсивностью, с использованием регистрируемых спектров пропускания исследуемой среды для расчета спектра коэффициента поглощения в линиях, с возможностью учета интенсивности лазерного излучения вне аналитических линий поглощения, с возможностью определения по интенсивности поглощения, с использованием данных о ширине, форме линий поглощения, длине оптического пути и температуре среды, концентрации исследуемых молекул, а также их относительного содержания, с возможностью увеличения чувствительности способа определения относительной концентрации молекул орто- и параводы регистрацией и использованием первой и/или второй производных спектров пропускания молекул орто- и пара-воды, с использованием дифференциального усиления детектируемого с помощью фотодетектора радиочастотного сигнала или дополнительного фильтра высоких частот, настроенного на требуемый радиочастотный диапазон, позволяющих получить на выходе предварительного усиления регистрируемого радиочастотного сигнала аналоговый сигнал, соответствующий первой или второй производным спектра пропускания, а также с возможностью использования для анализа относительного содержания молекул орто- и параводы в парах воды линий поглощения, принадлежащих составной колебательно-вращательной полосе ₁+₃, и расположенных вблизи 1.359 мкм, с возможностью использования для анализа молекул пара-воды линии поглощения этого изомера с частотой 7354.599 см^-1, а для анализа молекул орто-воды - линии поглощения на частоте 7355.557 см ^-1 с возможностью регистрации спектра пропускания молекул орто- и параводы с использованием перестраиваемого диодного лазера на основе соединения GaInAsP, работающего в указанном спектральном диапазоне с оптической частотой лазера сканируемой в аналитическом спектральном диапазоне, составляющем ~3 см^-1, за счет накачки лазера периодически повторяющимися импульсами тока амплитудой ~100 мА, длительностью ~3 мс и частотой повторения ~120 Гц., с пропусканием лазерного ~излучения через оптическую кювету, содержащую пары воды, длинной 20 см и диаметром 4 см, с возможностью детектирования прошедшего через анализируемую среду лазерного излучения с использованием фотодиода на основе соединения InGaAs, с возможностью регистрирации лазерного спектра пропускания среды, содержащий исследуемые линии поглощения молекул орто- и параводы.

Устройство для определения относительной концентрации молекул орто- и параводы, включает:

1. Систему ввода основных параметров.

Предназначена для ввода параметров лазерной аналитической системы и запуска процесса лазерного спектрального анализа.

2. Систему выбора параметров.

Предназначена для выбора спектральных и частотных характеристик лазерного излучения, температурного режима работы лазера, параметров сканирования спектров, их регистрации, оцифровки, передачи, буферирования, хранения, обработки спектральных данных.

3. Перестраиваемый диодный лазер.

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 молекул орто- и параводы, находящихся в газообразном состоянии.

4. Систему управления.

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

5. Систему термостабилизации

Предназначена для настройки перестраиваемого диодного лазера на спектральный диапазон, в котором лежат аналитические линии поглощения молекул орто- и параводы, и поддержания с необходимой точностью рабочей температуры лазера и его рабочей длины волны.

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

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.

7. Систему формирования пространственных характеристик лазерного пучка. Предназначена для коллимации расходящегося излучения перестраиваемого диодного лазера в пучок, пригодный для пропускания через исследуемый объект, и фокусировки на устройство детектирования оптического излучения, например, на фотоприемник.

8. Объект спектрального анализа, содержащий пары орто- и параводы, 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 относительного содержания молекул орто- и параводы.

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

10. Систему предварительного усиления регистрируемого радиочастотного сигнала. 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.

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

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.

12. Систему обработки лазерных спектров пропускания.

Предназначена для обработки получаемой информации и расчета спектра коэффициента поглощения в аналитических линиях поглощения орто- и параводы в регистрируемом диапазоне спектра.

13. Систему расчета относительного содержания орто- и параводы в анализируемой среде.

Предназначена для расчета содержания молекул орто- и параводы в анализируемой среде, а также их относительного содержания.

14. Систему вывода результирующих данных

Предназначена для вывода и визуализации полученных данных в виде численного значения относительного содержания молекул орто- и параводы 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 относительному содержанию молекул орто- и параводы в анализируемой среде и другим промежуточным результатам.

На Фиг.1 представлена блок-схема устройства для определения относительной концентрации молекул орто- и параводы.

Устройство для определения относительной концентрации молекул орто- и параводы, работает следующим образом:

Активируя ввод основных параметров системы, задают основные параметры системы, такие, например, как: рабочая температура лазера, ток накачки перестраиваемого диодного лазера 3, режим модуляции оптической частоты указанного лазера, режим регистрации и оцифровки детектируемого сигнала, параметры обработки спектров пропускания, режим вывода и визуализации получаемых результатов. Затем активируют систему 5 термостабилизации, и стабилизируют рабочую температуру перестраиваемого диодного лазера, которой определяется спектральный диапазон работы лазера. Активируют систему 6 накачки и управления спектральными и мощностными параметрами излучения перестраиваемого диодного лазера, что приводит к генерации оптического лазерного излучения с модуляцией оптической частоты в диапазоне, необходимом и достаточном для регистрации двух аналитических линий поглощения, одна из которых принадлежит молекулам ортоводы, а другая молекулам параводы. Далее, используя систему 2 выбора параметров, осуществляют выбор спектральных и частотных характеристик лазерного излучения, температурного режима работы лазера, параметров сканирования спектров, их регистрации, оцифровки, передачи, буферирования, хранения, обработки спектральных данных, затем с помощью системы 4 управления осуществляют 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. С помощью системы 7 формирования пространственных характеристик лазерного пучка осуществляют коллимацию расходящегося излучения перестраиваемого диодного лазера в пучок, пригодный для пропускания через исследуемый объект, и фокусировку на устройство детектирования оптического излучения - фотоприемник. Пропускают лазерное излучение через объект 8 спектрального анализа, содержащий пары орто- и параводы, находящийся в открытой атмосфере или в герметичном объеме, снабженном устройствами ввода и вывода излучения и напуска анализируемой среды. С помощью системы 9 детектирования лазерного излучения, в качестве которого может быть использован фотодетектор, производят регистрацию лазерного излучения и выделяют в принимаемом модулированном лазерном сигнале радиочастотную составляющую, содержащую информацию о спектрах пропускания исследуемой среды, и обращают ее в электрический радиочастотный сигнал. Используя систему 10 предварительного усиления регистрируемого радиочастотного сигнала, осуществляют предварительное усиление регистрируемого с помощью фотодетектора радиочастотного сигнала, содержащего информацию о спектрах пропускания исследуемой среды, и, если необходимо, аналоговое дифференцирование регистрируемого сигнала. С помощью системы 11 оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала 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. Активируя систему 12 обработки лазерных спектров пропускания, осуществляют математическую обработку получаемой цифровой информации - спектров пропускания, позволяющую рассчитывать спектр коэффициента поглощения в аналитических линиях орто- и параводы в регистрируемом диапазоне спектра. Используя систему 13 расчета относительного содержания орто- и параводы в анализируемой среде, осуществляют расчет содержания молекул орто- и параводы в анализируемой среде, а также их относительное содержания. Активируя систему 14 вывода результирующих данных, осуществляют вывод и визуализацию полученных данных в виде численного значения относительного содержания молекул орто- и параводы в анализируемой среде, кривой на мониторе или экране, отражающей изменения измеряемой величины со временем, и/или в виде файла, содержащего последовательность цифровых данных по относительному содержанию молекул орто- и параводы в анализируемой среде.

Предлагаемое устройство, для достижения технического результата выполнено также с возможностью использования для анализа относительного содержания молекул орто- и параводы в парах воды линий поглощения, принадлежащих составной колебательно-вращательной полосе ₁+₃, и расположенных вблизи 1.359 мкм, с возможностью использования для анализа молекул пара-воды линии поглощения этого изомера с частотой 7354.599 см^-1, а для анализа молекул орто-воды - линии поглощения на частоте 7355.557 см ^-1 с возможностью регистрации спектра пропускания молекул орто- и параводы с использованием перестраиваемого диодного лазера на основе соединения GaInAsP, работающего в указанном спектральном диапазоне с оптической частотой лазера сканируемой в аналитическом спектральном диапазоне, составляющем ~3 см^-1, за счет накачки лазера периодически повторяющимися импульсами тока амплитудой ~100 мА, длительностью ~3 мс и частотой повторения ~120 Гц., с пропусканием лазерного излучения через оптическую кювету, содержащую пары воды, длинной 20 см и диаметром 4 см, с возможностью детектирования прошедшего через анализируемую среду лазерного излучения с использованием фотодиода на основе соединения InGaAs, с возможностью регистрирации лазерного спектра пропускания среды, содержащий исследуемые линии поглощения молекул орто- и параводы.

На Фиг.2 представлен лазерный спектр пропускания паров воды, содержащий рядом расположенные колебательно-вращательные линии молекул орто- и параводы. Пример устройства для определения относительной концентрации молекул орто- и параводы

Устройство для определения относительной концентрации молекул орто- и параводы содержит перестраиваемый диодный лазер, систему формирования пространственных характеристик лазерного пучка, объект спектрального анализа в герметичном объеме с устройствами ввода и выводы излучения и напуска анализируемой среды, систему детектирования лазерного излучения и систему предварительного усиления регистрируемого радиочастотного сигнала. В него также входят: система ввода основных параметров, система выбора параметров, система накачки и управления спектральными и мощностными параметрами излучения перестраиваемого диодного лазера, система термостабилизации, система оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала, система обработки лазерных спектров пропускания, система расчета относительного содержания орто- и параводы в анализируемой среде и система вывода результирующих данных.

Система ввода основных параметров представляет собой в данном примере, блок компьютерной программы, с помощью которого задают или загружают из памяти прежние значения, 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 помощью системы управления осуществляют 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 перестраиваемого диодного лазера представляет собой совокупность электронной системы автоматического управления, датчиков температуры и активного элемента, в качестве которого используют термоэлектрический холодильник типа Пельте. С помощью системы термостабилизации температуру теплообменника, на котором смонтирован лазер, поддерживают около заданного значения, которое зависит от параметров лазера и может лежать в диапазоне от -40°С до +60°С, с точностью ~10 ^-3 градуса. Система накачки и управления спектральными и мощностными параметрами излучения перестраиваемого полупроводникового лазера представляет собой источник периодически повторяющихся импульсов тока, имеющих частоту повторения около 120 Гц, длительность импульсов 3 мс, амплитуду тока от 50 мА. В качестве лазера используют перестраиваемый диодный лазер с распределенной обратной связью, генерирующий на длине волны 1.359 мкм при комнатной температуре. Накачка такого лазера токовыми импульсами, параметры которых приведены выше, позволяет получить перестройку частоты в течение одного импульса порядка ~3 см^-1, что достаточно для регистрации в одном импульсе двух линий поглощения, одна из которых принадлежит молекулам ортоводы, а другая - молекулам параводы.

Для формирования пространственных характеристик лазерного пучка применяют две асферические линзы, одну из которых устанавливают вблизи лазера для коллимации излучение лазера в плоскопараллельный пучок, а вторую устанавливают перед фотоприемником для фокусировки излучения на чувствительную площадку последнего. Лазерное излучение пропускают через оптическую кювету длиной 20 см и диаметром 40 мм, снабженную окошками и устройствами напуска анализируемой среды, в которой находится объект спектрального анализа, содержащий пары орто- и параводы. Для детектирования лазерного излучения в диапазоне 1.35 мкм используют фотодиод на основе соединения InGaAs с диаметром чувствительной площадки 500 мкм и быстродействием 5 нс. С его помощью производят регистрацию лазерного излучения, в результате которой из принимаемого модулированного лазерного сигнала выделяют радиочастотную составляющую, содержащую информацию о спектрах пропускания исследуемой среды, и обращают в электрический радиочастотный сигнал. Система предварительного усиления регистрируемого радиочастотного сигнала, с помощью которого осуществляют предварительное усиление регистрируемого с помощью фотодетектора радиочастотного сигнала, содержащего информацию о спектрах пропускания исследуемой среды, представляет собой токовый усилитель, выполненный на основе стандартных дифференциальных усилителей. При необходимости, одновременно с усилением регистрируемого сигнала производят его аналоговое дифференцирование. Система оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала базируется на использовании стандартного микроконтроллера, с помощью которого 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 представляет собой блок компьютерной программы, осуществляющей поддержку работы всего программно-аппаратного комплекса. С помощью этого блока осуществляют математическую обработку получаемой цифровой информации - спектров пропускания - позволяющую рассчитывать спектр коэффициента поглощения в аналитических линиях поглощения орто- и параводы в регистрируемом диапазоне спектра. С помощью системы расчета относительного содержания молекул орто- и параводы в анализируемой среде осуществляют расчет содержания молекул орто- и параводы в анализируемой среде, а также их относительного содержания. С помощью системы вывода результирующих данных системы осуществляют вывод и визуализацию полученных данных в виде численного значения относительного содержания молекул орто- и параводы в анализируемой среде, кривой на мониторе или экране, отражающей изменения измеряемой величины со временем, и/или в виде файла, содержащего последовательность цифровых данных по относительному содержанию молекул орто- и параводы в анализируемой среде.

На Фиг.3 представлен лазерный спектр пропускания молекул орто- и параводы, описанный в примере. Здесь А - спектр пропускания паров орто- и параводы, регистрируемый с помощью перестраиваемого полупроводникового лазера в районе 7355 см^-1, длина волны излучения ~1.359 мкм соответствует частоте излучения ~7355 см^-1, слева линия ортоводы, справа - линия параводы, параметры лазерного импульса: длительность 3 мс, частота повторения ~120 Гц, амплитуда тока накачки 100 мА, длина оптического пути ~20 см, суммарное давление паров воды в кювете ~10 мм.рт.ст., Б - спектр коэффициента поглощения паров орто- и параводы, получаемый в результате обработки лазерного спектра пропускания (А) и используемый для вычисления относительно содержания анализируемых веществ.

Для того, чтобы повысить чувствительность устройства для определения относительной концентрации молекул орто- и параводы регистрируют и применяют первую и/или вторую производные спектров пропускания орто- и пара-воды. 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 орто- и пара-воды пропорциональны размаху резонансных особенностей, образуемых первой или второй производными линий поглощения орто- и пара-воды, и интенсивностям лазерного излучения на частотах резонансного поглощения в линиях поглощения орто- и пара-воды, которые учитывают при проведении вычислений.

Для расчета относительного содержания молекул орто- и пара-воды в исследуемой среде систему обработки лазерных спектров пропускания и систему расчета относительного содержания орто- и параводы в анализируемой среде настраивают на работу со спектрами производных.

В этом случае при низком содержании молекул орто- и пара-воды в исследуемой газовой результат получается более точным.

Кроме того, для повышения чувствительности определения относительной концентрации молекул орто- и параводы используют многоходовые оптические схемы пропускания лазерного излучения через анализируемую среду, позволяющие увеличить величину резонансного поглощения в линиях поглощения орто- и параводы при сохранении габаритов оптической кюветы. В этом случае при низком содержании молекул орто- и пара-воды в исследуемой среде результат также получается более точным.

Таким образом, достигнут желаемый технический результат, а именно, предложено устройство для определения относительной концентрации молекул орто- и параводы, которое является простым в реализации, применимым для контроля спин-селективных процессов взаимодействия воды с поверхностью, сорбентами и сложными биологическими молекулами и процессов разделения спиновых модификаций воды, обеспечивает определенную степень точности, чувствительности, наглядности и селективности за счет выбора перестраиваемого диодного лазера и фотодиода.

Промышленная применимость

Полезная модель относится к области лазерной спектроскопии и анализа, а именно к области применения перестраиваемых диодных лазеров и может быть использована для диагностики и анализа молекул орто- и параводы с помощью перестраиваемых диодных лазеров для определения относительной концентрации молекул орто- и параводы.

Полезная модель является новой и промышленно применимой. Спектр применения данного устройства довольно широк. Это контроль и управление системами, предназначенными для разделения молекул орто- и параводы в областях, применяющих тонкие химические и биологические технологии. Описанное устройство может широко применяться в биотехнологии, в медицине, в фармацевтике и других областях народного хозяйства.

Источники информации

1. Патент РФ 10462, МПК 6 G01N 21/25, Публ. 1999.07.16

2. Патент РФ 75472 МПК G01N 21/63 (2006.01) Публ. 2008.08.10

Устройство для определения относительной концентрации молекул орто- и параводы, включающее систему ввода основных параметров, систему выбора параметров, перестраиваемый диодный лазер, систему управления, систему термостабилизации, систему накачки и управления спектральными и мощностными параметрами излучения перестраиваемого диодного лазера, систему формирования пространственных характеристик лазерного пучка, объект спектрального анализа, содержащий пары орто- и параводы, находящийся в открытой атмосфере или в герметичном объеме, снабженном устройствами ввода и вывода излучения и напуска анализируемой среды, систему детектирования лазерного излучения, систему предварительного усиления регистрируемого радиочастотного сигнала, систему оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала, систему обработки лазерных спектров пропускания, систему расчета относительного содержания молекул орто- и параводы в анализируемой среде, систему вывода результирующих данных, при этом система ввода основных параметров сопряжена с системой управления, которая выполнена с возможностью передачи информации на систему термостабилизации, на систему накачки и управления спектральными и мощностными параметрами излучения перестраиваемого диодного лазера, которая сопряжена с перестраиваемым диодным лазером, а также на систему оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала и систему обработки лазерных спектров пропускания, система выбора параметров сопряжена с системой управления, перестраиваемый диодный лазер, в свою очередь, сопряжен с системой термостабилизации и с системой формирования пространственных характеристик лазерного пучка, с которым последовательно соединены объект спектрального анализа, система детектирования лазерного излучения, система предварительного усиления регистрируемого радиочастотного сигнала, система оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала, система обработки лазерных спектров пропускания, система расчета относительного содержания молекул орто- и параводы в анализируемой среде, система вывода результирующих данных, при этом система расчета относительного содержания молекул орто- и параводы в анализируемой среде выполнена с возможностью передачи информации на систему термостабилизации, на систему накачки и управления спектральными и мощностными параметрами излучения перестраиваемого диодного лазера, на систему оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала, на систему обработки лазерных спектров пропускания, выполненную для определения относительной концентрации молекул орто- и параводы с использованием перекрывающихся полос поглощения молекул орто- и параводы, с возможностью выбора пары близко расположенных линий поглощения, одна из которых принадлежит молекуле ортоводы, а вторая - молекуле параводы, с возможностью определения путем сравнения величины резонансного поглощения в двух линиях относительного содержания молекул орто- и параводы в исследуемом объекте спектрального анализа, с возможностью использования спектрального диапазона, в котором расположена одна из полос поглощения водяных паров, являющаяся обертоном или составным колебанием основных полос поглощения Н₂О, с возможностью уменьшения температурной зависимости результатов измерения относительного содержания молекул орто- и параводы за счет выбора их линии поглощения с близкими нижними энергетическими уровнями, с возможностью повышения точности измерений за счет сужения динамического диапазона измерений с использованием линии поглощения молекул орто- и параводы с близкой интенсивностью, с использованием регистрируемых спектров пропускания исследуемой среды для расчета спектра коэффициента поглощения в линиях, с возможностью учета интенсивности лазерного излучения вне аналитических линий поглощения, с возможностью определения по интенсивности поглощения, с использованием данных о ширине, форме линий поглощения, длине оптического пути и температуре среды, концентрации исследуемых молекул, а также их относительного содержания, с возможностью увеличения чувствительности способа определения относительной концентрации молекул орто- и параводы регистрацией и использованием первой и/или второй производных спектров пропускания молекул орто- и параводы, с использованием дифференциального усиления детектируемого с помощью фотодетектора радиочастотного сигнала или дополнительного фильтра высоких частот, настроенного на требуемый радиочастотный диапазон, позволяющих получить на выходе предварительного усиления регистрируемого радиочастотного сигнала аналоговый сигнал, соответствующий первой или второй производным спектра пропускания, а также с возможностью использования для анализа относительного содержания молекул орто- и параводы в парах воды линий поглощения, принадлежащих составной колебательно-вращательной полосе ₁+₃, и расположенных вблизи 1,359 мкм, с возможностью использования для анализа молекул пара-воды линии поглощения этого изомера с частотой 7354,599 см^-1, а для анализа молекул орто-воды - линии поглощения на частоте 7355,557 см ^-1.с возможностью регистрации спектра пропускания молекул орто- и параводы с использованием перестраиваемого диодного лазера на основе соединения GaInAsP, работающего в указанном спектральном диапазоне с оптической частотой лазера, сканируемой в аналитическом спектральном диапазоне, составляющем ~3 см^-1, за счет накачки лазера периодически повторяющимися импульсами тока амплитудой ~100 мА, длительностью ~3 мс и частотой повторения ~120 Гц, с пропусканием лазерного излучения через оптическую кювету, содержащую пары воды, длинной 20 см и диаметром 4 см, с возможностью детектирования прошедшего через анализируемую среду лазерного излучения с использованием фотодиода на основе соединения InGaAs, с возможностью регистрирации лазерного спектра пропускания среды, содержащего исследуемые линии поглощения молекул орто- и параводы.