RU2650354C1 - Способ спектроскопического анализа газовых смесей и спектрометр для его осуществления - Google Patents

Способ спектроскопического анализа газовых смесей и спектрометр для его осуществления Download PDF

Info

Publication number
RU2650354C1
RU2650354C1 RU2016150033A RU2016150033A RU2650354C1 RU 2650354 C1 RU2650354 C1 RU 2650354C1 RU 2016150033 A RU2016150033 A RU 2016150033A RU 2016150033 A RU2016150033 A RU 2016150033A RU 2650354 C1 RU2650354 C1 RU 2650354C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
radiation
frequency
gas
source
sources
Prior art date
Application number
RU2016150033A
Other languages
English (en)
Inventor
Владимир Лейбович Вакс
Елена Георгиевна Домрачева
Николай Вадимович Кинев
Валерий Павлович Кошелец
Сергей Иванович Приползин
Антон Андреевич Яблоков
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук
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 учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук
Priority to RU2016150033A priority Critical patent/RU2650354C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2650354C1 publication Critical patent/RU2650354C1/ru

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
    • 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
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3581Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light using far infrared light; using Terahertz radiation

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

Изобретение относится к исследованию и анализу газов с помощью электромагнитного излучения. Спектрометр состоит из последовательно размещенных источника микроволнового излучения, ячейки с исследуемым газом, приемной системы, включающей в себя детектор и блок обработки сигнала, и блока управления частотой источника излучения. К источнику микроволнового излучения добавлены выбранные источники излучения, работающие в других или в том же частотных диапазонах и генерирующие излучение с частотной или фазовой манипуляцией. Выбранные источники излучения установлены так, что излучение от всех источников сведено в один луч, а результат его воздействия на исследуемую газовую смесь принимает единая приемная система, обрабатывающая принимаемые сигналы различных частот и переходных процессов с учетом задержек, необходимых на время релаксаций сигналов переходных процессов. Технический результат заключается в повышении достоверности анализа газовой компоненты за счет измерения спектра поглощения газа в разных частотных диапазонах. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Изобретение относится к исследованию и анализу газов с помощью электромагнитного излучения и может быть использовано в молекулярной спектроскопии газовых и паровых сред.
Изобретение направлено на создание высокочувствительного и быстродействующего спектрометра, позволяющего одновременно измерять поглощение излучения на нескольких частотах.
Классический способ спектроскопического исследования в диапазоне частот от 1 ГГц до 30 ТГц и спектрометр для его осуществления описаны в патенте US 9360419 (МПК G01N 21/3581, 22/00, публикация 07.06.2016). Способ состоит в сравнении по определенной методике спектра исследуемого образца с рядом заданных известных спектров химических веществ. Они хранятся в базе данных устройства управления спектрометра. Спектрометр, помимо этих устройств, включает в себя источник электромагнитного излучения (лазер), детектор, делитель луча на две составляющие. Химические вещества, которые могут быть обнаружены таким спектроскопическим исследованием - это, например, наркотики, взрывчатые вещества, биологическое или химическое оружие. Недостатком способа и устройства аналога являются необходимость знания спектра химических веществ a priori, а также то, что может быть применен только для твердотельного образца и не подходит для исследования газов.
Ближайшим аналогом предлагаемого способа спектроскопического исследования и спектрометра для его осуществления является способ микроволновой спектроскопии и спектрометр для его осуществления (RU 2084874, МПК G01N 22/00, публикация 20.07.1997).
Способ осуществляется путем воздействия на исследуемый образец (измерительную ячейку с газом) микроволновым излучением на частоте молекулярного резонанса, приема и детектирования выходного излучения. На образец воздействуют микроволновым излучением с периодической модуляцией частоты излучения источника. Спектрометр содержит последовательно размещенные источник излучения, измерительную ячейку с исследуемым газом, приемник излучения и систему обработки сигнала. Частота излучения источника стабилизируется специальной системой. Кроме того, частотой или фазой источника манипулируют таким образом, что их изменения разрушают наведенную макроскопическую поляризацию молекул газа при совпадении частоты излучения с резонансной.
Данные способ и устройство основаны на использовании когерентного спонтанного излучения (КСИ) молекул исследуемого газа, обусловленного распадом наведенной в газе поляризации, и могут быть использованы для молекулярной вращательной спектроскопии газовых и паровых сред, например, для контроля технологических процессов непосредственно в реакторах (in situ).
Недостатком ближайшего аналога является невозможность одновременной регистрации поглощения на нескольких частотах, т.к. используется монохроматический источник, и, следовательно, невозможность одновременного исследования более одной газовой компоненты в исследуемой газовой смеси.
Предлагаемый способ направлен на решение задачи одновременного измерения поглощения электромагнитного излучения различных частот исследуемой газовой смесью. Для решения поставленной задачи предлагается разделение сигналов частотной или фазовой манипуляции по времени и независимый прием КСИ, характерного только для частоты модулируемого излучения. Временные задержки фазовой или частотной манипуляции выбираются много меньшими характерных времен процессов в исследуемой газовой смеси, в результате чего можно считать измерения, проведенные для разных частот излучения, одновременными.
Задачей, на решение которой направлен предлагаемый прибор, является проведение измерений поглощения электромагнитного излучения газовой смесью на некотором наборе различных частот излучения. Эту задачу предлагается решать посредством использования нескольких источников излучения, контролируемых единой системой, которая может вносить частотную или фазовую манипуляцию в излучение источников в различные моменты времени. Такой подход позволяет использовать источники, излучающие в одном или нескольких частотных диапазонах, что расширяет аналитические возможности прибора.
Цель предлагаемого изобретения заключается в обеспечении измерений поглощения электромагнитного излучения газовой смесью одновременно на некотором наборе различных частот излучения (не менее двух частот) для обеспечения возможности одновременной регистрации и исследовании нескольких газовых компонент в исследуемой газовой смеси, для обеспечения возможности одновременного отслеживания динамики содержания нескольких газовых компонент в исследуемой газовой смеси, для повышения достоверности анализа газовой компоненты за счет измерения спектра поглощения газа в разных частотных диапазонах.
Поставленная цель достигается тем, что воздействие на исследуемую газовую смесь электромагнитным излучением производится на нескольких различных резонансных частотах (не менее двух частот) в диапазоне от десятков ГГц до десятков ТГц от одного либо нескольких источников.
Поставленная цель достигается также тем, что частотная или фазовая манипуляцию в излучении каждого источника разносится во времени таким образом, чтобы периодически возникающие после каждого такого воздействия на газ изменения в излучении, принимаемые одним широкополосным детектором, были также разделены во времени для последующей обработки независимо друг от друга.
Поставленная цель достигается также тем, что временные задержки фазовой или частотной манипуляции выбираются много меньшими характерных времен процессов в исследуемой газовой смеси, в результате чего можно считать измерения, проведенные для разных частот излучения, одновременными.
Поставленная цель достигается также тем, что к источнику излучения в диапазоне от десятков ГГц до десятков ТГц добавлены выбранные источники излучения, работающие в других или в том же частотных диапазонах и генерирующие излучение с частотной или фазовой манипуляцией, установленные так, что излучение от всех источников сведено в один луч, а результат его воздействия на исследуемую газовую смесь принимает единая приемная система, обрабатывающая принимаемые сигналы различных частот и переходных процессов с учетом задержек, необходимых на время релаксаций сигналов переходных процессов.
Предлагаемый прибор (см. фиг. 1) состоит из источников излучения 1, измерительного тракта с исследуемой газовой смесью 2, приемной части, состоящей из детектора 3 и блока обработки сигналов 4, и систем контроля частот источников 5. В качестве приемников широкополосного терагерцевого излучения в составе спектрометра могут быть использованы диоды с барьером Шоттки, быстродействующие сверхпроводящие приемники (на основе болометров на горячих электронах, на основе джозефсоновских туннельных структур типа «сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник» и др.), детекторы и смесители на основе полупроводниковых гетероструктур (сверхрешетки, устройства на квантовых точках и др.). В зависимости от диапазона работы прибора в спектрометре применимы различные источники излучения, такие как лампа обратной волны (ЛОВ), твердотельные полупроводниковые генераторы, сопряженные с умножителями частоты, квантово-каскадные лазеры ТГц и ИК диапазонов. Для создания спектрометра применим любой источник, который можно перестраивать в требуемом диапазоне и имеющий плавную перестройку тем или иным способом с достаточной скоростью. Скорость перестройки определяется полосой системы фазовой или частотной автоподстройки.
Прибор работает по следующему алгоритму:
1. Если излучение первого источника является резонансным, оно наводит в газе макроскопическую поляризацию. Затем, когда поляризация наведена, резко меняют частоту или фазу излучения источника. На приемник приходит смесь излучения источника и сигналов распада поляризации, если, разумеется, она была наведена в газе.
2. Такое же действие выполняется со следующим источником, при этом первый источник не используется. Поскольку второй источник генерирует излучение другой частоты, отклик на применение фазовой или частотной манипуляции, вообще говоря, возникает другой, нежели от воздействия первого источника.
3. Действия повторяют со всеми остальными источниками отдельно, не обязательно в одном и том же порядке каждый раз. Более того, предлагается производить несколько подряд идущих актов фазовой или частотной манипуляции, поскольку это позволит несколько уменьшить шумы в принимаемом сигнале.
Измерения с помощью этого спектрометра предлагается проводить следующим образом.
1. Определить частоты аналитических линий поглощения интересующих исследователя веществ.
2. Настроить на эти частоты источники излучения.
3. Последовательно и поочередно скачкообразно изменять фазу или частоту каждого источника, воздействовать излучением на измерительный тракт с исследуемой газовой смесью, регистрировать сигнал переходных процессов на приемнике. По окончании каждого измерения, убеждаться, что сигнал переходных процессов в газе от воздействия очередного источника завершился.
3.1. Применить частотную или фазовую манипуляцию к выбранному из набора источников излучения.
3.2. Принять на детектор сигнал, генерируемый в результате воздействия фазово- или частотно-манипулированного излучения на исследуемую газовую смесь, и обработать его в приемной части спектрометра.
3.3. Повторять действия, начиная с шага 3.1, при этом усредняя значения, полученные в результате обработки переходного сигнала с детектора в приемной части и цифровой системе управления и контроля спектрометра, до получения приемлемого уровня шумов или заданное количество раз.
3.4. Выбрать следующий источник излучения и повторить для него процедуру, начиная с шага 3.1.
4. Опционально изменить частоты источников.
5. Повторять действия, начиная с шага 3, до тех пор, пока не будет завершена последовательность необходимых для эксперимента измерений.
6. Результатом эксперимента являются последовательности значений поглощения газовой смесью излучения от набора источников, так что каждая последовательность является результатом воздействия излучения одного источника, и количества последовательностей и источников, таким образом, совпадают.
Предложенное техническое решение было испытано для одновременного изучения динамики концентраций двух компонент многокомпонентной газовой смеси при помощи субТГц спектрометра с двумя независимыми источниками излучения на основе ЛОВ диапазона 118-178 ГГц и едиными блоками приема блоком обработки сигналов (блок-схема изображена на фиг. 1). Источники излучения двухчастотного спектрометра работают в режиме фазовой манипуляции, частота фазовой манипуляции 250 или 500 кГц (в зависимости от настроек) в каждом канале, излучение от одного и второго синтезаторов подается в измерительную ячейку поочередно с разделением переключений фазы во времени, достаточном для затухания сигнала от переходных процессов в газе после воздействия предыдущего импульса.
В предложенной схеме реализованы два варианта двухчастотного спектрометра. В первом варианте оба источника излучения работают в диапазоне частот 118-178 ГГц. Во втором варианте в одном из каналов установлен утроитель частоты на диоде с барьером Шоттки, работающий в диапазоне 330-420 ГГц. Оба источника представляют собой два независимых синтезатора частоты. Синтезаторы построены по схеме фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) ЛОВ по сигналу опорного синтезатора частоты. Качественный спектр и перестройка частоты обеспечиваются опорными синтезаторами частоты, работающими в диапазоне частот 8-15 ГГц. Суммарный сигнал источников излучения с фазовой манипуляцией проходит через кварцевую ячейку длиной 1 м и поступает на широкополосный детектор. Детектор изготовлен на основе низкобарьерного диода Шоттки. Он обладает высокой чувствительностью 500-2500 В/Вт и широкой полосой принимаемых частот от 100 до 1200 ГГц. В спектрометре применено временное разделение сигналов от разных линий поглощения газов. Период регистрации сигналов для двух линий поглощения двух газов составляет 4 мкс. Одноплатный встроенный компьютер РСМ-3362 предназначен для управления блоками спектрометра и обработки результатов измерений, которые поступают по внутренней шине спектрометра из приемного блока через контроллер связи в спектрометр. Управление двухчастотным спектрометром, а также регистрация и обработка полученных результатов осуществляется с помощью разработанного авторами программного обеспечения.
В качестве примера применения предложенного спектрометра проведено одновременное исследование динамики содержания этанола и перекиси водорода на различных частотах в процессе химической реакции
Figure 00000001
с соотношением концентраций этанола к перекиси водорода 6:1. Динамика содержания этанола C2H5OH, измеренная спектрометром на частоте линии поглощения 409,932 ГГц, приведена на фиг. 2, а одновременно происходящая динамика содержания перекиси водорода H2O2, измеренная спектрометром на частоте линии поглощения 131,396 ГГц, приведена на фиг. 3.
Таким образом, технический результат предлагаемого изобретения заключается в обеспечении измерений поглощения электромагнитного излучения газовой смесью одновременно на некотором наборе различных частот излучения (не менее двух частот) для обеспечения возможности одновременной регистрации и исследовании нескольких газовых компонент в исследуемой газовой смеси, для обеспечения возможности одновременного отслеживания динамики содержания нескольких газовых компонент в исследуемой газовой смеси, для повышения достоверности анализа газовой компоненты за счет измерения спектра поглощения газа в разных частотных диапазонах.

Claims (4)

1. Способ спектроскопического анализа газовых смесей, включающий в себя воздействие на исследуемую газовую смесь излучением на частоте молекулярного резонанса с частотной или фазовой манипуляцией, прием и детектирование излучения, а также аналого-цифровое преобразование, и регистрацию продетектированного сигнала для последующей обработки, отличающийся тем, что периодически и последовательно воздействуют на нескольких различных резонансных частотах (не менее двух) в диапазоне от десятков ГГц до десятков ТГц на компоненты газовой смеси.
2. Способ спектроскопического анализа газовых смесей по п. 1, отличающийся тем, что частотная или фазовая манипуляция в излучении одного/каждого источника разнесена во времени таким образом, чтобы периодически возникающие после каждого такого воздействия на газ изменения в излучении, принимаемые одним широкополосным детектором, были также разделены во времени для последующей обработки независимо друг от друга.
3. Способ спектроскопического анализа газовых смесей по п. 2, отличающийся тем, что временные задержки фазовой или частотной манипуляции выбираются много меньшими характерных времен процессов в исследуемой газовой смеси, в результате чего можно считать измерения, проведенные для разных частот излучения, одновременными.
4. Спектрометр, состоящий из последовательно размещенных источника микроволнового излучения, ячейки с исследуемым газом, приемной системы, включающей в себя детектор и блок обработки сигнала, и блока управления частотой источника излучения, отличающийся тем, что к источнику микроволнового излучения добавлены выбранные источники излучения, работающие в других или в том же частотных диапазонах и генерирующие излучение с частотной или фазовой манипуляцией, установленные так, что излучение от всех источников сведено в один луч, а результат его воздействия на исследуемую газовую смесь принимает единая приемная система, обрабатывающая принимаемые сигналы различных частот и переходных процессов с учетом задержек, необходимых на время релаксаций сигналов переходных процессов.
RU2016150033A 2016-12-20 2016-12-20 Способ спектроскопического анализа газовых смесей и спектрометр для его осуществления RU2650354C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016150033A RU2650354C1 (ru) 2016-12-20 2016-12-20 Способ спектроскопического анализа газовых смесей и спектрометр для его осуществления

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016150033A RU2650354C1 (ru) 2016-12-20 2016-12-20 Способ спектроскопического анализа газовых смесей и спектрометр для его осуществления

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2650354C1 true RU2650354C1 (ru) 2018-04-11

Family

ID=61976946

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016150033A RU2650354C1 (ru) 2016-12-20 2016-12-20 Способ спектроскопического анализа газовых смесей и спектрометр для его осуществления

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2650354C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2822004C2 (ru) * 2022-10-28 2024-06-28 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") Способ анализа состава выдыхаемого воздуха методом вращательной спектрометрии

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1589166A1 (ru) * 1988-07-05 1990-08-30 Институт прикладной физики АН СССР Способ микроволновой газовой спектрометрии
RU2084874C1 (ru) * 1994-08-05 1997-07-20 Владимир Лейбович Вакс Способ микроволновой спектроскопии и спектрометр для его осуществления
US6351309B1 (en) * 1991-08-06 2002-02-26 Southwest Sciences Incorporated Dual modulation laser line-locking technique for wavelength modulation spectroscopy

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1589166A1 (ru) * 1988-07-05 1990-08-30 Институт прикладной физики АН СССР Способ микроволновой газовой спектрометрии
US6351309B1 (en) * 1991-08-06 2002-02-26 Southwest Sciences Incorporated Dual modulation laser line-locking technique for wavelength modulation spectroscopy
RU2084874C1 (ru) * 1994-08-05 1997-07-20 Владимир Лейбович Вакс Способ микроволновой спектроскопии и спектрометр для его осуществления

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Набиев Ш. Ш. и др. "Экспресс-анализ изотопомеров воды в атмосфере с использованием методов нестационарной субтерагерцовой и терагерцовой спектроскопии." Оптика атмосферы и океана., 2011г., Т. 24. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2822004C2 (ru) * 2022-10-28 2024-06-28 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") Способ анализа состава выдыхаемого воздуха методом вращательной спектрометрии

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9891165B2 (en) Chirped pulse frequency-domain comb for spectroscopy
Brown et al. The rotational spectrum of epifluorohydrin measured by chirped-pulse Fourier transform microwave spectroscopy
US6335625B1 (en) Programmable active microwave ultrafine resonance spectrometer (PAMURS) method and systems
US10222262B2 (en) Segmented chirped-pulse fourier transform spectroscopy
US10027425B2 (en) Method for optical and electrical signal processing of a multi-heterodyne signal generated by a multi-mode semi-conductor laser and detection device utilizing that method
EP2686961B1 (en) Segmented chirped-pulse fourier transform spectroscopy
Martin-Drumel et al. Automated microwave double resonance spectroscopy: A tool to identify and characterize chemical compounds
TW201510504A (zh) 用於傅立葉轉換毫米波光譜之裝置及技術
JP2019066477A (ja) 分析装置及び分析方法
Pawelec et al. Hyperfine structure of some near-infrared Xe I and Xe II lines
Neeman et al. The quasi-unchanged gas-phase molecular structures of the atmospheric aerosol precursor β-pinene and its oxidation product nopinone
Hindle et al. Chirped pulse spectrometer operating at 200 GHz
RU2493553C1 (ru) Газоанализатор для измерения содержания ртути в газе
Elmaleh et al. THz cavity ring-down quantitative gas phase spectroscopy
RU2650354C1 (ru) Способ спектроскопического анализа газовых смесей и спектрометр для его осуществления
Vaks et al. Methods and approaches of high resolution spectroscopy for analytical applications
Nagarajan et al. Cavity-based medium resolution spectroscopy (CBMRS) in the THz: A bridge between high-and low-resolution techniques for sensor and spectroscopy applications
Crozet et al. Determination of Landé factors in the F 4Δ5/2, 7/2 state of 56FeH by laser excitation spectroscopy
US7342229B1 (en) Spectroscopic signal processing methodology
Steimle et al. The pure rotational spectrum of thorium monosulfide, ThS
Neeman et al. The gas-phase structure determination of α-pinene oxide: An endo-cyclic epoxide of atmospheric interest
Majewski et al. A high resolution terahertz spectrometer for chemical detection
Vaks et al. THz analyzers for breath research
Pajski et al. Chirped-pulse Fourier Transform microwave spectroscopy: a new technique for rapid identification of chemical agents
US7514269B1 (en) Precision adaptable chemical spectrometer