RU173565U1 - CUVETS FOR CONTACTLESS MEASUREMENT OF THE ELEMENT COMPOSITION OF GAS MIXTURES - Google Patents

CUVETS FOR CONTACTLESS MEASUREMENT OF THE ELEMENT COMPOSITION OF GAS MIXTURES Download PDF

Info

Publication number
RU173565U1
RU173565U1 RU2016148245U RU2016148245U RU173565U1 RU 173565 U1 RU173565 U1 RU 173565U1 RU 2016148245 U RU2016148245 U RU 2016148245U RU 2016148245 U RU2016148245 U RU 2016148245U RU 173565 U1 RU173565 U1 RU 173565U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
optical
target
laser
chamber
focusing
Prior art date
Application number
RU2016148245U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Евгений Александрович Ширшин
Глеб Сергеевич Будылин
Борис Павлович Якимов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ)
Priority to RU2016148245U priority Critical patent/RU173565U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU173565U1 publication Critical patent/RU173565U1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G01N21/03Cuvette constructions
    • G01N21/05Flow-through cuvettes
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited

Abstract

Полезная модель относится к области измерительной техники и касается кюветы для бесконтактного измерения элементного состава газовых смесей. Кювета представляет собой камеру с размещенной внутри нее металлической мишенью, предназначенной для создания на ней лазерно-индуцированной плазмы за счет эффекта оптического пробоя. Мишень закреплена в камере с возможностью вращательно-поступательного перемещения для обеспечения отсутствия деградации, вызванной абляцией материала мишени. Камера снабжена входом и выходом для прокачки исследуемой газовой смеси и двумя разъемами с подключенными к ним оптическими волокнами. В один из разъемов помещены элементы фокусировки лазерного излучения, используемого для создания оптического пробоя, а в другой - элементы для фокусировки излучения, создаваемого при оптическом пробое на металлической мишени. Технический результат заключается в понижении порогового значения плотности мощности излучения, необходимого для оптического пробоя. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.The utility model relates to the field of measurement technology and relates to a cell for non-contact measurement of the elemental composition of gas mixtures. The cuvette is a chamber with a metal target placed inside it, designed to create a laser-induced plasma on it due to the effect of optical breakdown. The target is fixed in the chamber with the possibility of rotational-translational movement to ensure the absence of degradation caused by ablation of the target material. The camera is equipped with an input and output for pumping the test gas mixture and two connectors with optical fibers connected to them. One of the connectors contains elements for focusing the laser radiation used to create optical breakdown, and the other contains elements for focusing the radiation generated during optical breakdown on a metal target. The technical result consists in lowering the threshold value of the radiation power density required for optical breakdown. 4 s.p. f-ly, 3 ill.

Description

Область техникиTechnical field

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к устройствам для анализа элементного состава вещества, в том числе в газообразном состоянии и может быть использована для выполнения анализа в труднодоступных областях, на энергообъектах, объектах радиационного контроля и т.д., например, внутри инертной камеры, обеспечивая таким образом анализ состава газовых смесей, что представляет ценность для ряда областей промышленности, таких как атомная энергетика и металлургия.The utility model relates to measuring technique, namely, devices for analyzing the elemental composition of a substance, including in a gaseous state, and can be used to perform analysis in hard-to-reach areas, at power facilities, radiation monitoring objects, etc., for example, inside an inert chambers, thus providing an analysis of the composition of gas mixtures, which is valuable for a number of industries, such as nuclear energy and metallurgy.

Уровень техникиState of the art

Известны различные анализаторы состава конденсированных сред, использующие для анализа метод лазерно-индуцированного пробоя с последующей регистрацией атомной эмиссии образующейся при этом плазмы, идентификации линий атомной эмиссии и определению концентрации веществ, входящих в состав исследуемого образца по интенсивности зарегистрированных линий (патент RU №95844, US №5751416, US №5715053, US №6762835). В указанных решениях исследуемый образец должен находиться в непосредственной близости к анализатору, результаты измерения которого должны контролироваться человеком, что не является подходящим для инертных камер, не предполагающих в них присутствия человека, а также любых других труднодоступных зон измерения, где невозможно разместить все компоненты измерительной системы.There are various analyzers of the composition of condensed matter, which use the method of laser-induced breakdown for analysis, followed by registration of the atomic emission of the resulting plasma, identification of the lines of atomic emission and determination of the concentration of substances that make up the sample by the intensity of the detected lines (patent RU No. 95844, US No. 5751416, US No. 5715053, US No. 6762835). In these solutions, the test sample should be in close proximity to the analyzer, the measurement results of which should be monitored by a person, which is not suitable for inert chambers that do not imply the presence of a person in them, as well as any other hard-to-reach measurement zones where it is impossible to place all components of the measuring system .

Из уровня техники известна регистрирующая кювета для фототермоакустического газоанализатора (RU №2460990, опубликовано 10.09.2012, кл. G01N 21/03). Кювета состоит из герметичной камеры, наполненной газом, поглощающим оптическое излучение. На противоположных торцах камеры расположены на одной оптической оси входное и выходное окна, которые наклонены к оптической оси под углом 45°. На боковой стороне камеры расположены акустически согласованные между собой излучатель и приемник ультразвуковых колебаний так, что вдоль оптической оси происходит совмещение оптического и акустического излучения. Кювета обеспечивает повышение чувствительности за счет увеличения длины оптического пути и области взаимодействия акустического и оптического лучей.The prior art recording cuvette for a photothermal acoustic analyzer (RU No. 2460990, published September 10, 2012, class G01N 21/03). The cuvette consists of a sealed chamber filled with a gas that absorbs optical radiation. At the opposite ends of the camera, the input and output windows are located on the same optical axis, which are inclined to the optical axis at an angle of 45 °. On the side of the camera are located acoustically matched to each other emitter and receiver of ultrasonic vibrations so that along the optical axis there is a combination of optical and acoustic radiation. The cuvette provides an increase in sensitivity by increasing the length of the optical path and the interaction region of the acoustic and optical rays.

Данное решение требует размещения и настройки многочисленных оптических элементов и анализирующей аппаратуры в непосредственной близости от кюветы, что может быть нереализуемо в случае анализа газа в труднодоступной области. Помимо этого, повышение чувствительности в приведенном решении достигается за счет увеличения оптического пути, то есть габаритов устройства, что может быть непригодно для проведения анализа в малом замкнутом объеме.This solution requires the placement and adjustment of numerous optical elements and analyzing equipment in the immediate vicinity of the cell, which may not be feasible in the case of gas analysis in a hard-to-reach area. In addition, an increase in sensitivity in the above solution is achieved by increasing the optical path, that is, the dimensions of the device, which may not be suitable for analysis in a small closed volume.

Также из уровня техники известна кювета для анализа газов или жидкостей (DE 19729936 А1 опубликовано 14.01.1999, кл. G01N 21/03; G01N 21/05; G01N 21/11), принятая в качестве наиболее близкого аналога. Кювета содержит по меньшей мере два оптических окна, по меньшей мере два уплотнения. Принцип, на котором основан метод анализа, реализуемой в данной кювете, заключается в создании разряда в газе и последующем спектральном анализе линий излучения плазмы. Основным недостатком представленной кюветы является необходимость размещения измерительной аппаратуры вблизи нее, что затрудняет (или делает невозможным) анализ в труднодоступном объеме. Помимо этого спектроскопия газового разряда в ряде практически важных случаев уступает по чувствительности методу спектроскопии лазерно-индуцированной плазмы в связи с невозможностью использования анализа временного отклика сигнала, для чего нужно импульсное возбуждение, а также с неполной диссоциацией молекул в газовом разряде, в то время как в лазерно-индуцированной плазме диссоциация является полной и температура плазмы высока.Also known from the prior art is a cuvette for analyzing gases or liquids (DE 19729936 A1 published 01/14/1999, CL G01N 21/03; G01N 21/05; G01N 21/11), adopted as the closest analogue. The cuvette contains at least two optical windows, at least two seals. The principle on which the analysis method implemented in this cuvette is based is to create a gas discharge and subsequent spectral analysis of the plasma emission lines. The main disadvantage of the presented cell is the need to place measuring equipment near it, which makes it difficult (or impossible) to analyze in an inaccessible volume. In addition, gas discharge spectroscopy in some practically important cases is inferior in sensitivity to the method of laser-induced plasma spectroscopy due to the impossibility of using the analysis of the time response of the signal, which requires pulse excitation, as well as to incomplete dissociation of molecules in a gas discharge, while Laser-induced plasma dissociation is complete and plasma temperature is high.

Раскрытие полезной моделиUtility Model Disclosure

Задачей заявляемого технического решения является создание устройства для обеспечения удаленного бесконтактного определения химического состава газовой смеси в труднодоступных областях, например инертной камеры или горящей камеры на предприятиях энергетики.The objective of the proposed technical solution is to create a device for providing remote non-contact determination of the chemical composition of the gas mixture in hard-to-reach areas, such as an inert chamber or a burning chamber at power plants.

Техническим результатом, достигаемым при использовании заявляемой полезной модели, является обеспечение уменьшения порогового значения плотности мощности излучения, необходимого для оптического пробоя лазерными импульсами наносекундной длительности за счет того, что пробой осуществляется не непосредственно в газе, а на поверхности металлической мишени, при этом во избежание деградации мишень имеет возможность перемещения. В результате становится возможным использование импульсов пониженной интенсивности для создания пробоя, а ввод лазерного излучения для создания оптического пробоя на металлической мишени возможно осуществить при помощи многомодового оптоволокна.The technical result achieved by using the claimed utility model is to reduce the threshold value of the radiation power density required for optical breakdown by laser pulses of nanosecond duration due to the fact that the breakdown is carried out not directly in the gas, but on the surface of a metal target, while avoiding degradation the target has the ability to move. As a result, it becomes possible to use pulses of reduced intensity to create a breakdown, and the introduction of laser radiation to create an optical breakdown on a metal target can be carried out using a multimode optical fiber.

В такой конфигурации возможно расположить основные части прибора, в котором используется заявляемое устройство, такие как источник лазерного излучения, спектрометр и персональный компьютер, необходимый для обработки спектральных данных, вне атмосферы труднодоступной области, в которой размещают заявляемую кювету.In such a configuration, it is possible to arrange the main parts of the device in which the inventive device is used, such as a laser source, spectrometer and a personal computer necessary for processing spectral data, outside the atmosphere of the inaccessible area in which the inventive cell is placed.

Поставленная задача решается тем, что заявляемая кювета для бесконтактного измерения элементного состава газовых смесей представляет собой камеру с размещенной внутри него металлической мишенью, предназначенной для создания на ней лазерно-индуцированной плазмы за счет эффекта оптического пробоя, и закрепленной к одной из сторон камеры с возможностью поступательно-вращательного перемещения внутри нее для обеспечения отсутствия деградации поверхности мишени, связанного с эффектом лазерной абляции, при этом камера снабжена входом и выходом для прокачки исследуемой газовой смеси и двумя разъемами с подключенными к ним оптическими волокнами, при этом в один из разъемов помещены элементы фокусировки лазерного излучения, используемого для создания оптического пробоя, а в другой - элементы для фокусировки излучения, создаваемого при оптическом пробое на металлической мишени. Мишень может представляет собой цилиндрический стержень, размещенный с возможностью вращения вокруг своей оси при поступательном перемещении, или пластину, размещенную под острым углом к плоскости распространения лазерного излучения (т.е. нормаль плоскости металлической пластины должна лежать в плоскости оптической системы и составлять угол порядка 45° с оптической осью (показанной на фиг. 1 пунктирной линией) фокусирующей системы, используемой для создания оптического пробоя). Металлический стержень может быть выполнен из вольфрама, или легированной стали, или титана и имеет диаметр не менее 10 мм, а камера выполнена металлической для обеспечения жесткого крепления всех составных элементов.The problem is solved in that the claimed cell for non-contact measurement of the elemental composition of gas mixtures is a chamber with a metal target placed inside it, designed to create a laser-induced plasma on it due to the effect of optical breakdown, and fixed to one side of the chamber with the possibility of translational -rotational movement inside it to ensure that there is no degradation of the target surface associated with the laser ablation effect, while the camera is equipped with an entrance to an outlet for pumping the test gas mixture and two connectors with optical fibers connected to them, while one of the connectors contains elements for focusing laser radiation used to create optical breakdown, and the other contains elements for focusing radiation generated during optical breakdown on a metal target . The target may be a cylindrical rod rotatably placed around its axis during translational movement, or a plate placed at an acute angle to the plane of laser radiation propagation (i.e., the normal plane of the metal plate should lie in the plane of the optical system and make an angle of about 45 ° with the optical axis (shown by a dashed line in FIG. 1) of the focusing system used to create the optical breakdown). The metal rod can be made of tungsten, or alloy steel, or titanium and has a diameter of at least 10 mm, and the camera is made of metal to ensure rigid fastening of all composite elements.

Основной принцип заявляемого устройства состоит в применении лазерно-индуцированного пробоя с последующей регистрацией атомной эмиссии компонент смеси. По измеренному отношению интенсивностей эмиссии и калибровочным данным, полученных для смесей с известным содержанием компонент, определяют концентрацию веществ. Лазерный пробой при этом создается на поверхности конденсированной среды - стержне и имеет низкий порог по плотности мощности лазерного излучения. Образовавшиеся на границе раздела фаз затравочные электроны приводят к развитию процесса ионизации газового образца в близлежащей области.The main principle of the claimed device is the use of laser-induced breakdown with subsequent registration of atomic emission of the components of the mixture. The measured ratio of emission intensities and calibration data obtained for mixtures with a known content of components determine the concentration of substances. In this case, a laser breakdown is created on the surface of the condensed medium — the rod — and has a low threshold for the power density of laser radiation. The seed electrons formed at the phase boundary lead to the development of the process of ionization of the gas sample in the nearby region.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Заявляемая полезная модель поясняется следующими фигурами, гдеThe inventive utility model is illustrated by the following figures, where

на фиг. 1 схематично изображена заявляемая кювета;in FIG. 1 schematically depicts the claimed cell;

на фиг. 2 на котором изображена схема газового анализатора, в котором использовано заявляемое устройство;in FIG. 2 which shows a diagram of a gas analyzer in which the inventive device is used;

на фиг. 3 приведены графики, характеризующие спектры линий различных атомов, полученные при накоплении газа после подачи в кювету атмосферы инертной камеры.in FIG. Figure 3 shows graphs characterizing the spectra of lines of various atoms obtained during gas accumulation after an inert chamber atmosphere is fed into the cuvette.

Позициями на чертежах обозначены:The positions in the drawings indicate:

1 - камера1 - camera

2 - разъем для оптоволокна, по которому в кювету поступает лазерное излучение,2 - connector for optical fiber, through which laser radiation enters the cuvette,

3 - устройство, предназначенное для фокусировки лазерного излучения на металлической мишени3 - a device designed to focus laser radiation on a metal target

4 - мишень для создания оптического пробоя,4 - target for creating optical breakdown,

5 - собирающая линза, предназначенная для светосбора излучения лазерно-индуцированной плазмы5 - collecting lens designed for light collection of laser-induced plasma radiation

6 - разъем для оптоволокна, по которому осуществляется сбор излучения лазерно-индуцированной плазмы,6 - connector for optical fiber, which collects the radiation of laser-induced plasma,

7 - вход для подачи газовой смеси в кювету,7 - input for supplying the gas mixture to the cell,

8 - выход для откачки газа из кюветы,8 - exit for pumping gas from the cell,

9 - лазерный источник излучения,9 - laser radiation source,

10 - фокусирующая линза,10 - focusing lens

11 - оптоволокно для заведения лазерного излучения в кювету,11 - optical fiber for introducing laser radiation into the cell,

12 - оптоволокно для сбора излучения лазерно-индуцированной плазмы,12 - optical fiber for collecting radiation from laser-induced plasma,

13 - спектрометр,13 - spectrometer

14 - компьютер.14 is a computer.

Осуществление полезной моделиUtility Model Implementation

Заявляемое устройство представляет собой металлическую камеру 1, например дюралевую, снабженную двумя разъемами - для крепления оптического волокна 2 и для подключения светособирающего оптического волокна 6, а также входом 7 и выходом 8 для подачи/откачки газовой смеси в/из кюветы. Взаимное расположение входа и выхода не является принципиальным. Разъемы 2 и 6 расположены так, чтобы оси оптических систем (помеченные на фиг. 1 пунктирными линиями), установленных в данных разъемах, сходились на поверхности оптической системы.The inventive device is a metal chamber 1, for example, duralumin, equipped with two connectors for attaching an optical fiber 2 and for connecting a light-collecting optical fiber 6, as well as input 7 and output 8 for supplying / pumping a gas mixture to / from a cell. The relative position of the entrance and exit is not critical. Connectors 2 and 6 are arranged so that the axes of the optical systems (indicated by dashed lines in FIG. 1) installed in these connectors converge on the surface of the optical system.

В разъеме 2 расположена фокусирующая оптическая система 3, состоящая, например, из двух короткофокусных линз, выполненных из стекла К8, расположенных так, чтобы лазерное излучение, выходящее из оптического волокна, закрепляемого в разъеме 2, фокусировалось на металлической мишени 4. Внутри кюветы расположена металлическая мишень 4, которая закреплена к одной из сторон камеры кюветы. В качестве мишени может быть использован металлический цилиндрический стержень, выполненный, например, из вольфрама, титана или легированной стали. Стержень закреплен с возможностью вращения вокруг своей оси (а именно, оси, перпендикулярной плоскости, образованной оптическими осями фокусирующих систем) и поступательного перемещения вдоль своей оси. Также мишень может быть выполнена в виде металлической пластины, расположенной под острым углом к направлению распространения лазерного излучения (нормаль плоскости металлической пластины должна лежать в плоскости оптических осей фокусирующей системы 3 и линзы 5 и должна составлять угол порядка 45° к оси оптической системы 3).In the connector 2, there is a focusing optical system 3, consisting, for example, of two short-focus lenses made of K8 glass, arranged so that the laser radiation coming out of the optical fiber fixed in the connector 2 is focused on the metal target 4. Inside the cuvette there is a metal target 4, which is fixed to one side of the cell chamber. As the target, a metal cylindrical rod made, for example, of tungsten, titanium or alloy steel can be used. The rod is fixed with the possibility of rotation around its axis (namely, the axis perpendicular to the plane formed by the optical axes of the focusing systems) and translational movement along its axis. The target can also be made in the form of a metal plate located at an acute angle to the direction of propagation of laser radiation (the normal plane of the metal plate should lie in the plane of the optical axes of the focusing system 3 and lens 5 and should be at an angle of about 45 ° to the axis of the optical system 3).

Линза 5, выполненная, например, из стекла марки КУ-1, помещается так, чтобы излучение лазерно-индуцированной плазмы фокусировалось на торце разъема 6. В разъеме 6 располагается многомодовое оптическое волокно, предназначенное для светосбора излучения лазерно-индуцированной плазмы.A lens 5, made, for example, of KU-1 glass, is placed so that the radiation of the laser-induced plasma is focused on the end of the connector 6. In the connector 6 is a multimode optical fiber designed for light collection of the radiation of the laser-induced plasma.

Крепление оптических волокон к разъемам 2 и 6 может быть осуществлено посредством, например, разъемов типа SMA.The fastening of the optical fibers to connectors 2 and 6 can be carried out by means of, for example, SMA connectors.

Заявляемое устройство работает следующим образом. Использование заявляемого устройства возможно в составе системы газового анализатора, обеспечивающего бесконтактное измерение элементного состава газовых смесей. Кювету размещают в труднодоступной области, например в инертной камере.The inventive device operates as follows. The use of the claimed device is possible as part of a gas analyzer system that provides non-contact measurement of the elemental composition of gas mixtures. The cuvette is placed in an inaccessible area, for example, in an inert chamber.

Подача газа может осуществляться как путем принудительной прокачки газа через разъемы 7 и 8, так и может осуществляться произвольное натекание газа из атмосферы инертной камеры через открытые разъемы 7 и 8. Отметим, однако, что в таком случае погрешность определения элементного состава инертной камеры ухудшается, по сравнению со случаем принудительной прокачки газа из атмосферы инертной камеры. Газ из исследуемого объема проникает в кювету через разъемы 7 и 8. Через фокусирующее устройство 3 импульсное лазерное излучение, заводящееся через оптоволокно, направляется на мишень 4 (мишень 4 может быть закреплена или осуществлять поступательно-вращательное движение для редукции деградации поверхности мишени в результате лазерной абляции) при этом в объеме камеры кюветы 1 в области фокуса линз 3 и 5 в результате оптического пробоя на поверхности мишени 4 и в газе возникает лазерно-индуцированная плазма, излучение которой переносится с помощью линзы 5 на разъем 6, к которому присоединен световод (оптоволокно 12) для светосбора. Оптический сигнал с оптического волокна 12, подсоединенного к разъему 6, затем передается на спектрометр 13, осуществляющий съемку спектра излучения лазерно-индуцированной плазмы. Спектрометр 13 подсоединен к компьютеру 14, с помощью которого спектральная картина анализируется с целью определения элементного состава.Gas can be supplied either by forced pumping of gas through connectors 7 and 8, or gas can flow arbitrarily from the inert atmosphere through open connectors 7 and 8. Note, however, that in this case the error in determining the elemental composition of the inert chamber is worsened, compared with the case of forced pumping of gas from the atmosphere of an inert chamber. Gas from the test volume penetrates into the cuvette through connectors 7 and 8. Through a focusing device 3, pulsed laser radiation generated through an optical fiber is directed to target 4 (target 4 can be fixed or translationally rotate to reduce degradation of the target surface as a result of laser ablation ) in this case, in the chamber volume of the cell 1 in the region of the focus of lenses 3 and 5 as a result of optical breakdown on the target surface 4 and in the gas, a laser-induced plasma is generated, the radiation of which is transferred from power lens 5 on the connector 6, to which is attached a light guide (optical fiber 12) for light collection. The optical signal from the optical fiber 12 connected to the connector 6 is then transmitted to a spectrometer 13, which implements the emission spectrum of the laser-induced plasma. The spectrometer 13 is connected to a computer 14, through which the spectral pattern is analyzed in order to determine the elemental composition.

Технический результат достигается за счет фокусировки лазерного излучения на поверхности металлической мишени, порог оптического пробоя которой на несколько порядков ниже порога оптического пробоя в газах. В результате становится возможным использование импульсов пониженной интенсивности для создания пробоя, а ввод лазерного излучения для создания оптического пробоя на металлической мишени возможно осуществить при помощи многомодового оптического волокна.The technical result is achieved by focusing laser radiation on the surface of a metal target, the optical breakdown threshold of which is several orders of magnitude lower than the optical breakdown threshold in gases. As a result, it becomes possible to use low-intensity pulses to create a breakdown, and the introduction of laser radiation to create an optical breakdown on a metal target can be carried out using a multimode optical fiber.

Пример конкретного выполненияConcrete example

В приведенном ниже примере заявляемое устройство использовалось для контроля атмосферы в инертной камере с аргоновой атмосферой, а именно в данном примере измерялись концентрации кислорода и водорода.In the example below, the inventive device was used to control the atmosphere in an inert chamber with an argon atmosphere, namely, in this example, the concentrations of oxygen and hydrogen were measured.

Излучение лазера 9 с активным элементом из АИГ:Nd3+ (длина волны 1064 нм, энергия 80 мДж, частота повторения 10 Гц, длительность импульса по уровню 0.5-13 нс, расходимость по уровню 0.83-3 мрад) заводилось с помощью линзы 10 в кварцевое оптоволокно 11 диаметром 1 мм, другой конец которого через разъем типа SMA подсоединялся к разъему 2 устройства, корпус 1 которого был выполнен из алюминия и имел габариты 5×5×5 см3, и фокусировался на вольфрамовую мишень системой из двух линз 3, просветленных под длину волны 1064 нм. Мишень 4 представляла из себя пластину размером 1×2 см и толщиной 3 мм, при этом мишень была закреплена внутри кюветы. При включении источника лазерного источника 9 на мишени 4 возникал оптический пробой, при этом образовывалась лазерно-индуцированная плазма, излучение которой собиралось при помощи кварцевой линзы 5 с фокусным расстоянием 3 см и выполненной из стекла КО-1 на кварцевое оптоволокно 12 диаметром 600 мкм, один из концов которого присоединялся к выходному оптическому разъему 6 устройства через разъем типа SMA. Второй конец оптоволокна подсоединялся через разъем SMA к спектрометру 13 Мауа2000 Pro (Ocean Optics, США), позволявшему регистрировать спектр излучения плазмы от каждого лазерного импульса. Полученные с помощью спектрометра 13 данные анализировались на компьютере 14.The radiation of a laser 9 with an active element from AIG: Nd 3+ (wavelength 1064 nm, energy 80 mJ, repetition frequency 10 Hz, pulse duration at the level of 0.5-13 ns, divergence at the level of 0.83-3 mrad) was initiated using a 10 v lens a quartz optical fiber 11 with a diameter of 1 mm, the other end of which was connected via a SMA connector to the device connector 2, the housing 1 of which was made of aluminum and had dimensions 5 × 5 × 5 cm 3 , and was focused on a tungsten target by a system of two lenses 3, enlightened under a wavelength of 1064 nm. Target 4 was a plate 1 × 2 cm in size and 3 mm thick, while the target was fixed inside the cuvette. When the source of the laser source 9 was turned on, an optical breakdown occurred on the target 4, and a laser-induced plasma was formed, the radiation of which was collected using a quartz lens 5 with a focal length of 3 cm and made of KO-1 glass onto a quartz optical fiber 12 with a diameter of 600 μm, one from the ends of which it was connected to the output optical connector 6 of the device through an SMA type connector. The second end of the optical fiber was connected via an SMA connector to a 13 Maua 2000 Pro spectrometer (Ocean Optics, USA), which made it possible to record the plasma emission spectrum from each laser pulse. Obtained using a spectrometer 13, the data were analyzed on a computer 14.

В качестве газа использована аргоновая атмосфера инертной камеры. Аргон поступает внутрь кюветы через вход для подачи газа, регистрируется спектр излучения лазерно-индуцированной плазмы, возникающей при оптическом пробое на мишени (фиг. 2).The gas used is the argon atmosphere of an inert chamber. Argon enters the cuvette through the gas inlet, and the spectrum of the radiation of laser-induced plasma arising from optical breakdown on the target is recorded (Fig. 2).

Частота повторения лазерных импульсов (и вспышек плазмы в кювете) составляла 10 Гц, каждый спектр измерялся в течение одной секунды, ежесекундно в течение всего эксперимента. Для оценки содержания примесей в атмосфере кюветы использовалось 10 спектров.The repetition rate of laser pulses (and plasma flashes in the cell) was 10 Hz, each spectrum was measured for one second, every second throughout the experiment. To assess the content of impurities in the atmosphere of the cell, 10 spectra were used.

Для оценки концентраций из спектров выделялся диапазон, соответствующий линии атома, после чего вычислялось отношение максимума линии (не среднего значения, которое использовалось для оценок ранее) к максимуму линии аргона, после чего по калибровочным кривым, полученным ранее, из отношения максимумов вычислялась концентрация.To estimate the concentrations from the spectra, a range corresponding to the atomic line was selected, after which the ratio of the maximum of the line (not the average value that was used previously) to the maximum of the argon line was calculated, after which the concentration was calculated from the ratio of the maximums from the calibration curves obtained earlier.

На фиг. 3 приведены выделенные спектры за вычетом аппроксимации фона, полученные для одного из 10 выбранных импульсов.In FIG. Figure 3 shows the selected spectra minus the approximation of the background obtained for one of the 10 selected pulses.

Содержание кислорода в инертной камере составило 4±2 ppm (ppm - миллионная доля в пересчете на основной газ, в данном случае - аргон), как среднее значения по 10 импульсам. Оценка погрешности соответствует разбросу отношения максимумов линий кислорода и аргона в спектрах излучения лазерно-индуцированной плазмы. Сравнение с данными независимых датчиков показало, что определенная концентрация кислорода совпала с точным значением (3.8±0.2 ppm) в пределах погрешности.The oxygen content in the inert chamber was 4 ± 2 ppm (ppm is the millionth fraction in terms of the main gas, in this case argon), as the average value over 10 pulses. The error estimate corresponds to the spread in the ratio of the maxima of the oxygen and argon lines in the emission spectra of laser-induced plasma. Comparison with the data of independent sensors showed that a certain oxygen concentration coincided with the exact value (3.8 ± 0.2 ppm) within the error.

Claims (5)

1. Кювета для бесконтактного измерения элементного состава газовых смесей, характеризующаяся тем, что она представляет собой камеру с размещенной внутри нее металлической мишенью, предназначенной для создания на ней лазерно-индуцированной плазмы, за счет эффекта оптического пробоя, и закрепленной к одной из сторон камеры с возможностью вращательно-поступательного перемещения внутри нее для обеспечения отсутствия деградации, вызванной абляцией материала мишени, при этом камера снабжена входом и выходом для прокачки исследуемой газовой смеси, и двумя разъемами с подключенными к ним оптическими волокнами, при этом в один из разъемов помещены элементы фокусировки лазерного излучения, используемого для создания оптического пробоя, а в другой - элементы для фокусировки излучения, создаваемого при оптическом пробое на металлической мишени.1. A cuvette for non-contact measurement of the elemental composition of gas mixtures, characterized in that it is a chamber with a metal target placed inside it, designed to create a laser-induced plasma on it, due to the effect of optical breakdown, and fixed to one side of the chamber with the possibility of rotational-translational movement inside it to ensure the absence of degradation caused by ablation of the target material, while the camera is equipped with an input and output for pumping the gas mixture, and two connectors with optical fibers connected to them, while one of the connectors contains elements for focusing the laser radiation used to create optical breakdown, and the other contains elements for focusing the radiation generated during optical breakdown on a metal target. 2. Кювета по п. 1, характеризующаяся тем, что мишень представляет собой цилиндрический стержень, размещенный с возможностью вращения вокруг своей оси при поступательном перемещении.2. The cuvette according to claim 1, characterized in that the target is a cylindrical rod placed with the possibility of rotation around its axis during translational movement. 3. Кювета по п. 2, характеризующаяся тем, что металлический стержень выполнен из вольфрама или легированной стали или титана и имеет диаметр не менее 10 мм.3. The cuvette according to claim 2, characterized in that the metal rod is made of tungsten or alloy steel or titanium and has a diameter of at least 10 mm. 4. Кювета по п. 1, характеризующаяся тем, что мишень представляет собой пластину, размещенную под острым углом, т.е. нормаль плоскости металлической пластины должна лежать в плоскости оптических осей фокусирующих систем 3 и линзы 5 и должна составлять угол 45° к оси оптической системы 3.4. The cuvette according to claim 1, characterized in that the target is a plate placed at an acute angle, i.e. the normal plane of the metal plate should lie in the plane of the optical axes of the focusing systems 3 and lens 5 and should be at an angle of 45 ° to the axis of the optical system 3. 5. Кювета по п. 1, характеризующаяся тем, что камера выполнена металлической.5. The cuvette according to claim 1, characterized in that the chamber is made of metal.
RU2016148245U 2016-12-08 2016-12-08 CUVETS FOR CONTACTLESS MEASUREMENT OF THE ELEMENT COMPOSITION OF GAS MIXTURES RU173565U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016148245U RU173565U1 (en) 2016-12-08 2016-12-08 CUVETS FOR CONTACTLESS MEASUREMENT OF THE ELEMENT COMPOSITION OF GAS MIXTURES

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016148245U RU173565U1 (en) 2016-12-08 2016-12-08 CUVETS FOR CONTACTLESS MEASUREMENT OF THE ELEMENT COMPOSITION OF GAS MIXTURES

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU173565U1 true RU173565U1 (en) 2017-08-30

Family

ID=59798401

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016148245U RU173565U1 (en) 2016-12-08 2016-12-08 CUVETS FOR CONTACTLESS MEASUREMENT OF THE ELEMENT COMPOSITION OF GAS MIXTURES

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU173565U1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19729936A1 (en) * 1997-07-12 1999-01-14 Univ Konstanz Cuvette for examining gases or liquids
WO2005029137A2 (en) * 2003-09-16 2005-03-31 Mississippi State University Fiber opticlaser-induced breakdown spectroscopy device and methods of use
US20070046934A1 (en) * 2005-08-26 2007-03-01 New Wave Research, Inc. Multi-function laser induced breakdown spectroscopy and laser ablation material analysis system and method
RU95844U1 (en) * 2010-02-17 2010-07-10 Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Дальневосточный государственный университет" (ДВГУ) MICROPOSITION LASER-SPARK SPECTROMETER

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19729936A1 (en) * 1997-07-12 1999-01-14 Univ Konstanz Cuvette for examining gases or liquids
WO2005029137A2 (en) * 2003-09-16 2005-03-31 Mississippi State University Fiber opticlaser-induced breakdown spectroscopy device and methods of use
US20070046934A1 (en) * 2005-08-26 2007-03-01 New Wave Research, Inc. Multi-function laser induced breakdown spectroscopy and laser ablation material analysis system and method
RU95844U1 (en) * 2010-02-17 2010-07-10 Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Дальневосточный государственный университет" (ДВГУ) MICROPOSITION LASER-SPARK SPECTROMETER

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7233643B2 (en) Measurement apparatus and method for determining the material composition of a sample by combined X-ray fluorescence analysis and laser-induced breakdown spectroscopy
Ito et al. Determination of colloidal iron in water by laser-induced breakdown spectroscopy
Lazzari et al. Detection of mercury in air by time-resolved laser-induced breakdown spectroscopy technique
US6847446B2 (en) Chemical analysis and detection by selective adsorbent sampling and laser induced breakdown spectroscopy
US7202948B2 (en) LIBS system and method for engine exhaust monitoring
Schlösser et al. Raman spectroscopy at the tritium laboratory Karlsruhe
KR101084766B1 (en) Method for analyzing of heavy metals
Bauer et al. Pulsed laser surface fragmentation and mid-infrared laser spectroscopy for remote detection of explosives
YALÇIN et al. Spectroscopic characterization of laser-produced plasmas for in situ toxic metal monitoring
Choi et al. Hydrogen isotopic analysis using molecular emission from laser-induced plasma on liquid and frozen water
KR101235145B1 (en) Spectrometer using Continuous Wave Laser and Photomultiplier Tube
KR20150051579A (en) Laser induced plazma spectroscopic analyzer
RU173565U1 (en) CUVETS FOR CONTACTLESS MEASUREMENT OF THE ELEMENT COMPOSITION OF GAS MIXTURES
Wang et al. Controlled calibration method for laser induced breakdown spectroscopy
Rai et al. Laser-induced breakdown spectroscopy for real time and online elemental analysis
Buckley Laser-induced breakdown spectroscopy for toxic metal emission measurements: experimental considerations and oxygen quenching
Chartier et al. Optical bleaching in continuous laser-excited photothermal lens spectrometry
Yaroshchyk et al. Dual beam spectrometer using laser-induced breakdown spectroscopy
EP0253731B1 (en) Apparatus for quantifying an element by means of laser induced fluorescence in a high frequency plasma
D'Angelo et al. Trace element analysis in water by LIBS technique
CN111272736B (en) Breakdown spectrum and absorption spectrum combined measurement system and method
CN214097166U (en) Concrete corrosion state detection system
WO2007068237A1 (en) Method and device for detecting contamination by explosives
JP2690572B2 (en) Surface condition evaluation method and apparatus
He et al. Investigation on in situ and real-time monitoring of uranium aerosol from emergency emission after accidents by Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS)