RU2730405C1 - M-dls martian multichannel diode-laser spectrometer - Google Patents

M-dls martian multichannel diode-laser spectrometer Download PDF

Info

Publication number
RU2730405C1
RU2730405C1 RU2019121487A RU2019121487A RU2730405C1 RU 2730405 C1 RU2730405 C1 RU 2730405C1 RU 2019121487 A RU2019121487 A RU 2019121487A RU 2019121487 A RU2019121487 A RU 2019121487A RU 2730405 C1 RU2730405 C1 RU 2730405C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
optical
analytical gas
pass
cell
gas volume
Prior art date
Application number
RU2019121487A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Виктор Владимирович Барке
Имант Имантович Виноградов
Сергей Геннадьевич Зеневич
Артем Юрьевич Климчук
Юрий Владимирович Лебедев
Александр Вячеславович Родин
Владимир Михайлович Семенов
Максим Владимирович Спиридонов
Original Assignee
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по космической деятельности "РОСКОСМОС"
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 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по космической деятельности "РОСКОСМОС" filed Critical Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по космической деятельности "РОСКОСМОС"
Priority to RU2019121487A priority Critical patent/RU2730405C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2730405C1 publication Critical patent/RU2730405C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G01N21/03—Cuvette constructions
    • G01N21/031—Multipass arrangements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3504—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis

Landscapes

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

Abstract

FIELD: measurement.SUBSTANCE: invention relates to the field of measurement equipment and concerns a Martian multichannel diode-and-laser spectrometer M-DLS. Spectrometer consists of analytical gas volume based on optical multi-pass cuvette, set of monochromatic diode lasers with distributed feedback with periodic tuning of optical frequency of probing radiation in a range covering individual oscillation-rotational absorption lines of a given molecule and its isotopologues, and a photodetector. Analytical gas volume used is an optical multi-pass cell of a full optical intracavity output, which is an optical resonator with a mirror reflection coefficient of not less than 0.999 and the number of effective full passes of the probing beam through the analytical gas volume of the cuvette, which increases the effective optical path to such a distance, at which precision measurements of chemical and isotopic composition of a dusty atmosphere are provided. Reference channel for stabilizing the radiation frequency of lasers based on selected absorption lines employs said optical multi-pass analytical gas cell.EFFECT: technical result is higher sensitivity of device.1 cl, 3 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области измерительной техники и предназначено для прецизионного измерения химического и изотопного состава запыленной атмосферы и может быть использовано для измерения химического и изотопного состава окружающих атмосфер планет, включая атмосферы Марса и Земли в широком диапазоне термодинамических параметров.The invention relates to the field of measuring technology and is intended for precision measurement of the chemical and isotopic composition of a dusty atmosphere and can be used to measure the chemical and isotopic composition of the surrounding atmospheres of planets, including the atmospheres of Mars and Earth in a wide range of thermodynamic parameters.

Известны газоаналитические приборы, в основе которых лежит метод диодно-лазерной спектроскопии высокого разрешения. Так, в патенте РФ № RU 8674 G01N 27/12 2009 г. описана полезная модель устройства для определения молекулярно-сорбционных свойств вещества, включающая герметичную камеру для образца вещества, диодно-лазерный спектрометр с последовательно соединенными измерительной кюветой и блоком исполнительного управления и сбора данных, при этом измерительная кювета диодно-лазерного спектрометра соединена с блоком дозированной подачи пара и блоком управления вакуумной откачкой.Known gas analytical devices, which are based on the method of high-resolution diode laser spectroscopy. So, in the patent of the Russian Federation No. RU 8674 G01N 27/12 2009, a useful model of a device for determining the molecular sorption properties of a substance is described, including a sealed chamber for a sample of a substance, a diode-laser spectrometer with a serially connected measuring cell and an executive control and data collection unit , while the measuring cuvette of the diode-laser spectrometer is connected to the unit for dosed steam supply and the control unit for vacuum pumping.

В патенте РФ № RU 123954 G01N 21/35 2012 г. описана лазерная оптическая система для измерения изотопного соотношения 13СО2/12CO2, состоящая из лазера, и, установленных по ходу излучения, делителя, оптической кюветы, реперной кюветы, фотоприемников, и компьютерной системы, при этом оптическая кювета выполнена в виде многоходовой оптической кюветы Эррио со средством регулирования температурной стабилизации.In Russian Patent № RU 123954 G01N 21/35 2012 discloses a laser optical system for measuring the isotope ratio 13 CO 2/12 CO 2, consisting of a laser, and installed along the radiation divider, an optical cell, a reference cell, photodetectors, and a computer system, while the optical cell is made in the form of a multi-pass optical Herriot cell with a means for regulating temperature stabilization.

В патенте РФ RU 121927 2012 г. описан гетеродинный волоконно-оптический спектрорадиометр высокого разрешения для дистанционного пассивного анализа состава и состояния атмосферы. В патенте США US 9506804 2013 г. представлен газоанализатор на основе метода лазерной спектроскопии, действующий на открытой оптической трассе.RF patent RU 121927 2012 describes a high-resolution heterodyne fiber-optic spectroradiometer for remote passive analysis of the composition and state of the atmosphere. US patent US 9506804 2013 presents a gas analyzer based on the method of laser spectroscopy, operating on an open optical path.

В патенте Евросоюза ЕА 201391182 описано устройство для измерения концентраций СО, NO, NO2, в газовой атмосфере при температуре выше 1200°С. Все эти устройства характеризуются следующими показателями: высокое спектральное разрешение (ширина линии излучения лазера порядка 10 МГц при рабочей частоте порядка 1013-1014 Гц), высокая чувствительность (порог детектирования менее 1 ppmv, в отдельных случаях, с учетом обогащения, менее 1 ppbv), относительно узкий спектральный диапазон, соответствующий перестройке диодных лазеров (порядка 1 см-1), который компенсируется многоканальностью. Вместе с тем, чувствительность указанных устройств ограничена длиной эффективного оптического пути в аналитической кювете, как правило, не превышающей нескольких десятков метров, что является серьезным недостатком при проведении изотопных измерений. Дальнейшее увеличение оптического пути многопроходных кювет типа Эррио приводит к неустойчивости оптического тракта и невозможности применения подобных устройств в составе автономных роботизированных комплексов в условиях запыленной атмосферы.EU patent EA 201391182 describes a device for measuring the concentrations of CO, NO, NO 2 in a gas atmosphere at temperatures above 1200 ° C. All these devices are characterized by the following characteristics: high spectral resolution (laser line width of about 10 MHz at an operating frequency of about 10 13 -10 14 Hz), high sensitivity (detection threshold less than 1 ppmv, in some cases, taking into account enrichment, less than 1 ppbv ), a relatively narrow spectral range corresponding to the tuning of diode lasers (on the order of 1 cm -1 ), which is compensated by multichannel. At the same time, the sensitivity of these devices is limited by the length of the effective optical path in the analytical cell, as a rule, not exceeding several tens of meters, which is a serious disadvantage when performing isotopic measurements. A further increase in the optical path of multipass cells of the Herriot type leads to instability of the optical path and the impossibility of using such devices as part of autonomous robotic systems in a dusty atmosphere.

Наиболее близким техническим решением того же назначения к заявляемому изобретению является перестраиваемый лазерный спектрометр (Tunable Laser Spectrometer), разработанный для работы в составе комплекса научной аппаратуры SAM марсохода "Curiosity" и описанный в статье Webster & Mahhafy 2009 г. В данном приборе задача получения максимальной чувствительности решалась за счет применения многопроходной кюветы системы Эррио и обогащения газовой пробы путем адсорбции углекислого газа в специальных ячейках.The closest technical solution for the same purpose to the claimed invention is a Tunable Laser Spectrometer, developed for operation as part of the SAM complex of the Curiosity rover and described in the article by Webster & Mahhafy 2009. In this device, the task of obtaining maximum sensitivity was solved by using a multi-pass cell of the Herriot system and enriching the gas sample by adsorbing carbon dioxide in special cells.

Недостатком известного технического решения является недостаточная длина эффективного оптического пути в аналитической кювете, что не позволило добиться требуемой чувствительности и привело к неоднозначной интерпретации результатов измерений.The disadvantage of the known technical solution is the insufficient length of the effective optical path in the analytical cell, which did not allow achieving the required sensitivity and led to an ambiguous interpretation of the measurement results.

Задачей заявляемого изобретения является увеличение длины эффективного оптического пути в аналитической газовой кювете для увеличения чувствительности.The objective of the claimed invention is to increase the length of the effective optical path in an analytical gas cell to increase sensitivity.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройство, состоящее из аналитического объема на базе многопроходной аналитической газовой кюветы, комплекта монохроматичных диодных лазеров с распределенной обратной связью с периодической перестройкой оптической частоты зондирующего излучения в диапазоне, охватывающем индивидуальные колебательно-вращательные линии поглощения заданной молекулы и ее изотопологов в качестве аналитического объема, используется многопроходная аналитическая газовая кювета полного резонаторного выхода, представляющей собой полый цилиндрический объем, в торцах которого установлены зеркала с коэффициентом отражения не менее 0,999 и эффективная длина оптического пути в котором может достигать величины от 200 до 1000 м, причем оба зеркала является частично проницаемыми. Данная кювета используется также в качестве реперного канала для долговременной стабилизации частоты излучения лазеров по выбранным линиям поглощения.The specified technical result is achieved by the fact that in a device consisting of an analytical volume based on a multi-pass analytical gas cell, a set of monochromatic diode lasers with distributed feedback with periodic tuning of the optical frequency of the probe radiation in the range covering individual vibrational-rotational absorption lines of a given molecule and its isotopologues as an analytical volume, a multi-pass analytical gas cell of a full resonator outlet is used, which is a hollow cylindrical volume, at the ends of which mirrors with a reflection coefficient of at least 0.999 are installed and the effective length of the optical path in which can reach values from 200 to 1000 m, both the mirror is partially permeable. This cell is also used as a reference channel for long-term stabilization of the laser radiation frequency along the selected absorption lines.

Сущность изобретения поясняется на рисунках 1-3, где изображены внешний вид и функциональные схемы «Марсианского многоканального диодно-лазерного спектрометра (М-ДЛС)» для измерения химического и изотопного состава планетных атмосфер. Прибор М-ДЛС представляет собой диодно-лазерный абсорбционный спектрометр, работающий в нескольких спектральных каналах ИК области спектра диапазона 2-3 мкм. М-ДЛС обеспечивает выполнение научной задачи на основе спектроскопических измерений оптического молекулярного поглощения газовой пробы окружающей атмосферы. Конструктивно прибор представляет собой моноблок с выдвижной трубкой воздухозаборника для отбора атмосферной газовой пробы на уровне до 0,5 м выше места размещения прибора. Инструментальной базой прибора М-ДЛС является многоканальный модуль атмосферных измерений на основе оптического спектроскопического анализа состава пробы газа местной атмосферы, доставляемой в аналитическую многопроходную оптическую кювету прибора.The essence of the invention is illustrated in Figures 1-3, which show the appearance and functional diagrams of the "Martian multichannel diode laser spectrometer (M-DLS)" for measuring the chemical and isotopic composition of planetary atmospheres. The M-DLS device is a diode-laser absorption spectrometer operating in several spectral channels in the IR spectral region of the 2-3 μm range. M-DLS provides a scientific task based on spectroscopic measurements of the optical molecular absorption of a gas sample of the surrounding atmosphere. Structurally, the device is a monoblock with a retractable air intake tube for taking an atmospheric gas sample at a level up to 0.5 m above the device location. The instrumental base of the M-DLS device is a multichannel atmospheric measurement module based on optical spectroscopic analysis of the composition of a gas sample from the local atmosphere delivered to an analytical multi-pass optical cell of the device.

Работу модуля атмосферных измерений (МАИ) прибора М-ДЛС обеспечивают его функциональные узлы:The operation of the atmospheric measurement module (MAI) of the M-DLS device is ensured by its functional units:

Figure 00000001
многопроходная оптическая аналитическая газовая кювета полного внутрирезонаторного выхода (МОК) с оптическими и газовыми интерфейсами, включающими монохроматичные диодные лазеры с распределенной обратной связью (РОС-лазеры), фотоприемник с предварительным усилителем его фотоотклика, газовые соединители, нагреватель, датчики давления и температуры;
Figure 00000001
multi-pass optical analytical gas cell with full intracavity output (MOC) with optical and gas interfaces including monochromatic diode lasers with distributed feedback (DFB lasers), a photodetector with a preamplifier of its photoresponse, gas connectors, a heater, pressure and temperature sensors;

Figure 00000001
система формирования атмосферных проб (СФАП), включающая воздухозаборное устройство, внутреннюю газовую транспортную систему, газовую магистраль (ГМ) и клапаны;
Figure 00000001
Atmospheric sample formation system (SFAP), including an air intake device, an internal gas transport system, a gas pipeline (GM) and valves;

Figure 00000001
вычислительная управляющая система (ВУС), образованная микропроцессорной электронной платой интерфейсов и служебных систем и микропроцессорной платой модуля атмосферных измерений;
Figure 00000001
a computer control system (VUS) formed by a microprocessor electronic board for interfaces and service systems and a microprocessor board of the atmospheric measurement module;

Figure 00000001
периферийная электроника, представленная исполнительными функциональными узлами, датчиками, внутренними интерфейсами М-ДЛС;
Figure 00000001
peripheral electronics, represented by executive functional units, sensors, M-DLS internal interfaces;

Figure 00000001
вторичный источник электропитания прибора М-ДЛС от бортовой сети в составе автономного роботизированного комплекса;
Figure 00000001
secondary power supply of the M-DLS device from the on-board network as part of an autonomous robotic complex;

Figure 00000001
моноблочный корпус, конструктивно обеспечивающий внутреннюю компоновку прибора М-ДЛС, доступ к его внешним интерфейсным электрическим и газовым соединителям, размещение М-ДЛС на его посадочном месте в составе автономного роботизированного комплекса.
Figure 00000001
a monoblock case, structurally providing the internal layout of the M-DLS device, access to its external interface electrical and gas connectors, placing the M-DLS on its seat as part of an autonomous robotic complex.

Периодическая перестройка оптической частоты зондирующего излучения, генерируемого полупроводниковым диодным РОС-лазером, в диапазоне, охватывающем индивидуальные колебательно-вращательные линии поглощения заданной молекулы и ее изотопологов, обеспечивает регистрацию спектра поглощения газовой пробы в виде зависимости во времени выходного сигнала, регистрируемого одноканальным фотоприемником прибора.Periodic tuning of the optical frequency of the probe radiation generated by the semiconductor diode DFB laser in the range covering the individual vibrational-rotational absorption lines of a given molecule and its isotopologues provides registration of the absorption spectrum of a gas sample in the form of a time dependence of the output signal recorded by a single-channel photodetector of the device.

В составе М-ДЛС имеются спектроскопические измерительные каналы высокого разрешения ИК диапазонов:The M-DLS includes high-resolution IR spectroscopic measuring channels:

Figure 00000001
каналы диапазона 2,65 мкм для записи спектральных контуров линий поглощения H2O и изотопологов H2O;
Figure 00000001
channels of 2.65 µm range for recording the spectral contours of the absorption lines of H 2 O and isotopologues of H 2 O;

Figure 00000002
каналы диапазона 2,81 мкм для записи спектральных контуров линий поглощения CO2 и изотопологов CO2.
Figure 00000002
2.81 µm channels for recording the spectral contours of CO 2 absorption lines and CO 2 isotopologues.

Интервалы сканирования для отдельных измерений, обеспечиваемые параметрами токовой модуляции диодных РОС-лазеров, составляют величину около 30 ГГц с возможностью их температурной подстройки и охвата полного диапазона перестройки лазера около 300 ГГц. Максимальное спектральное разрешение при этих измерениях определяется шириной линии излучения РОС-лазера и составляет 1-3 МГц.The scanning intervals for individual measurements, provided by the parameters of current modulation of diode DFB lasers, are about 30 GHz with the possibility of their temperature adjustment and covering the full laser tuning range of about 300 GHz. The maximum spectral resolution in these measurements is determined by the width of the DFB laser radiation line and amounts to 1-3 MHz.

Долговременная стабилизация частоты излучения диодного лазера, обеспечивающая возможность накопления и усреднения большого количества спектров и тем самым существенного улучшения отношения сигнал/шум, осуществляется благодаря неизменному поддержанию определенного положения центров сильных линий поглощения CO2 в пределах рабочих интервалов спектрального сканирования посредством организации цифровой обратной связи с контроллерами режимов работы лазерных модулей.Long-term stabilization of the diode laser radiation frequency, which provides the possibility of accumulating and averaging a large number of spectra and thereby significantly improving the signal-to-noise ratio, is carried out due to the constant maintenance of a certain position of the centers of strong CO 2 absorption lines within the operating intervals of spectral scanning by organizing digital feedback with controllers operating modes of laser modules.

Решение обратной задачи восстановления вариаций молекулярных концентраций и изотопных соотношений будет проводиться на основе переданных на Землю данных оптического поглощения атмосферных газовых проб.The solution of the inverse problem of reconstructing variations in molecular concentrations and isotopic ratios will be carried out on the basis of the optical absorption data of atmospheric gas samples transmitted to the Earth.

Оценка чувствительности для некоторых каналов измерения представлена в таблице 1.The sensitivity estimate for some measurement channels is presented in Table 1.

Figure 00000003
Figure 00000003

Расчетная точность определения изотопных соотношений составляет:The calculated accuracy of determining isotopic ratios is:

D/H<2%, 18O/O<2% (H2O); 13С/С~0,3%, 18O/17О/O<0,3% (CO2).D / H <2%, 18 O / O <2% (H 2 O); 13 C / C ~ 0.3%, 18 O / 17 O / O <0.3% (CO 2 ).

Дополнительное улучшение чувствительности спектральных измерений в ~ 3 раза будет возможно при осуществлении компрессии отбираемой атмосферной пробы в объеме аналитической кюветы до давления ~ 30 мбар через газовый интерфейс объединенной системы подготовки газовых проб комплекса научной аппаратуры (КНА).An additional improvement of the sensitivity of spectral measurements by a factor of ~ 3 will be possible by compressing the taken atmospheric sample in the volume of the analytical cell to a pressure of ~ 30 mbar through the gas interface of the joint system for preparing gas samples of the scientific equipment complex (KNA).

Специфическими характеристиками прибора М-ДЛС являются:The specific characteristics of the M-DLS device are:

Figure 00000004
сверхвысокое спектральное разрешение λ/δλ=108, позволяющее детально разрешать форм-фактор регистрируемых линий молекулярного поглощения;
Figure 00000004
ultra-high spectral resolution λ / δλ = 10 8 , which allows detailed resolution of the form factor of the registered molecular absorption lines;

Figure 00000004
высокая чувствительность детектирования газов при малых концентрациях, достигаемая за счет оптического накопления заведомо слабого полезного сигнала в атмосферных измерительных каналах при большом числе эффективных полных проходов зондирующего луча через аналитический объем оптической кюветы прибора, что позволяет увеличить эффективный оптический путь до 1000 м при физических размерах прибора менее 0,3 м;
Figure 00000004
high sensitivity of detecting gases at low concentrations, achieved due to the optical accumulation of an obviously weak useful signal in atmospheric measuring channels with a large number of effective full passes of the probing beam through the analytical volume of the optical cell of the device, which makes it possible to increase the effective optical path to 1000 m with the physical dimensions of the device less 0.3 m;

Figure 00000004
гибкость управления комплектом диодных РОС-лазеров - эффективное сочетание излучения нескольких рабочих длин волн, генерируемых лазерными излучателями, и различных каналов измерений. Один и тот же лазер может быть использован для измерений в двух или более спектральных каналах за счет подстройки рабочей температуры лазерного кристалла;
Figure 00000004
flexible control of a set of diode DFB lasers - an effective combination of radiation of several operating wavelengths generated by laser emitters and various measurement channels. The same laser can be used for measurements in two or more spectral channels by adjusting the operating temperature of the laser crystal;

Figure 00000004
защита рабочего объема и прецизионных оптических элементов от пыли и прочих загрязнений на всех этапах хранения, старта, перелета, посадки и активных измерений;
Figure 00000004
protection of the working volume and precision optical elements from dust and other contaminants at all stages of storage, launch, flight, landing and active measurements;

Figure 00000004
эффективность использования аппаратных ресурсов при совместном использовании газового интерфейса и объединенной системы подготовки газовых проб научной аппаратуры автономного роботизированного комплекса.
Figure 00000004
the efficiency of using hardware resources when using a gas interface and a combined system for preparing gas samples for scientific equipment of an autonomous robotic complex.

Изобретение может быть использовано в исследованиях планет Солнечной системы в составе научной аппаратуры автоматических и пилотируемых космических аппаратов, в решении актуальных задач мониторинга природных и техногенных сред в составе беспилотных летательных и подводных аппаратов, в задачах экологического мониторинга, геологоразведки, идентификации взрывчатых и отравляющих веществ, контроля производственных процессов, медицинской диагностике и т.п.The invention can be used in studies of the planets of the solar system as part of scientific equipment for automatic and manned spacecraft, in solving urgent problems of monitoring natural and man-made environments as part of unmanned aerial vehicles and underwater vehicles, in problems of environmental monitoring, geological prospecting, identification of explosives and toxic substances, control production processes, medical diagnostics, etc.

Источники информацииSources of information

1. Barnes, D., Battistelli, E., Bertrand, R., Butera, F., Chatila, R., Del Biancio, A., Draper, C., Ellery, A., Gelmi, R., Ingrand, F., Koeck, C., Lacroix, S., Lamon, P., Lee, C., Magnani, P., Patel, N., Pompei, C., Re, E., Richter, L., Rowe, M., Siegwart, R., Slade, R., Smith, M. F., Terrien, G., Wall, R., Ward, R., Waugh, L., and Woods, M. The ExoMars rover and Pasteur payload Phase A study: an approach to experimental astrobiology. Int. J. Astrobiol. 5(3), 221-241 (2006). doi: 10.1017/S1473550406003090 https://doi.org/10.1017/S1473550406003090Google Scholar1. Barnes, D., Battistelli, E., Bertrand, R., Butera, F., Chatila, R., Del Biancio, A., Draper, C., Ellery, A., Gelmi, R., Ingrand, F., Koeck, C., Lacroix, S., Lamon, P., Lee, C., Magnani, P., Patel, N., Pompei, C., Re, E., Richter, L., Rowe, M., Siegwart, R., Slade, R., Smith, MF, Terrien, G., Wall, R., Ward, R., Waugh, L., and Woods, M. The ExoMars rover and Pasteur payload Phase A study: an approach to experimental astrobiology. Int. J. Astrobiol. 5 (3), 221-241 (2006). doi: 10.1017 / S1473550406003090 https://doi.org/10.1017/S1473550406003090 Google Scholar

2. Mantz, A. W. A review of the applications of tunable diode-laser spectroscopy at high-sensitivity. Microchem. J. 50 (3), 351-364 (1994). doi:10.1006/mchj.1994.1099 https://doi.org/10.1006/mchj.1994.1099Google Scholar2. Mantz, A. W. A review of the applications of tunable diode-laser spectroscopy at high-sensitivity. Microchem. J. 50 (3), 351-364 (1994). doi: 10.1006 / mchj.1994.1099 https://doi.org/10.1006/mchj.1994.1099 Google Scholar

3. Fukunishi, H., Okano, S., Taguchi, M., and Ohnuma, T. Laser heterodyne spectrometer using a liquid nitrogen cooled tunable diode laser for remote measurements of atmospheric O3 and N2O. Appl. Optics 29 (18) 2722-2728 (1990). doi:10.1364/AO.29.002722 https://doi.org/10.1364/AO.29.002722Google Scholar3. Fukunishi, H., Okano, S., Taguchi, M., and Ohnuma, T. Laser heterodyne spectrometer using a liquid nitrogen cooled tunable diode laser for remote measurements of atmospheric O3 and N2O. Appl. Optics 29 (18) 2722-2728 (1990). doi: 10.1364 / AO.29.002722 https://doi.org/10.1364/AO.29.002722 Google Scholar

4. O'Keefe, A. Integrated cavity output analysis of ultra-weak absorption. Chem. Phys. Lett. 293 (5-6), 331-336 (1998). doi:10.1016/S0009-2614(98)00785-4 https://doi.org/10.1016/S0009-2614(98)00785-4Google Scholar4. O'Keefe, A. Integrated cavity output analysis of ultra-weak absorption. Chem. Phys. Lett. 293 (5-6), 331-336 (1998). doi: 10.1016 / S0009-2614 (98) 00785-4 https://doi.org/10.1016/S0009-2614(98)00785-4Google Scholar

5. Webster, C.R., Mahaffy, P.R., Atreya, S.K., Flesch, G.J., Mischna, M.A., Meslin, .-Y., Farley, K.A., Conrad, P.G., Christensen, L.E.., Pavlov, A.A.,

Figure 00000005
, J., Zorzano, M.-P., McConnochie, Т.Н., Owen, Т., Eigenbrode, J.L., Glavin, D.P., Steele, A., Malespin, C.A., Archer, P.D., Sutter, В., Coll, P., Freissinet, C., McKay, C.P., Moores, J.E., Schwenzer, S.P., Bridges, J.C., Navarro-Gonzalez, R., Gellert, R., Lemmon, M.T., and the MSL Science Team. Mars methane detection and variability at Gale crater. Science 347(6220), 415-417 (2015). doi: 10.1126/science.1261713 https://doi.org/10.1126/science.1261713Google Scholar5. Webster, CR, Mahaffy, PR, Atreya, SK, Flesch, GJ, Mischna, MA, Meslin,.-Y., Farley, KA, Conrad, PG, Christensen, LE., Pavlov, AA,
Figure 00000005
, J., Zorzano, M.-P., McConnochie, T.H., Owen, T., Eigenbrode, JL, Glavin, DP, Steele, A., Malespin, CA, Archer, PD, Sutter, B., Coll, P., Freissinet, C., McKay, CP, Moores, JE, Schwenzer, SP, Bridges, JC, Navarro-Gonzalez, R., Gellert, R., Lemmon, MT, and the MSL Science Team. Mars methane detection and variability at Gale crater. Science 347 (6220), 415-417 (2015). doi: 10.1126 / science.1261713 https://doi.org/10.1126/science.1261713 Google Scholar

6. Navarro, Т., Madeleine, J.-B., Forget, F., Spiga, A., Millour, E., Montmessin, F., and

Figure 00000006
, A. Global climate modeling of the Martian water cycle with improved microphysics and radiatively active water ice clouds. J. Geophys. Res. E119(7), 1479 - 1495(2014). https://doi.org/10.1002/2013JE004550Google Scholar6. Navarro, T., Madeleine, J.-B., Forget, F., Spiga, A., Millour, E., Montmessin, F., and
Figure 00000006
, A. Global climate modeling of the Martian water cycle with improved microphysics and radiatively active water ice clouds. J. Geophys. Res. E119 (7), 1479-1495 (2014). https://doi.org/10.1002/2013JE004550Google Scholar

Claims (1)

Марсианский многоканальный диодно-лазерный спектрометр «М-ДЛС» - устройство для прецизионного измерения химического и изотопного состава запыленной атмосферы, состоящее из аналитического газового объема на базе оптической многопроходной кюветы, комплекта монохроматичных диодных лазеров с распределенной обратной связью с периодической перестройкой оптической частоты зондирующего излучения в диапазоне, охватывающем индивидуальные колебательно-вращательные линии поглощения заданной молекулы и ее изотопологов, и фотоприемника, отличающееся тем, что в качестве аналитического газового объема используется оптическая многопроходная кювета полного оптического внутрирезонаторного выхода, представляющая собой оптический резонатор с коэффициентом отражения зеркал не менее 0,999, причем оба зеркала являются частично проницаемыми, и количеством эффективных полных проходов зондирующего луча через аналитический газовый объем оптической многопроходной кюветы, которое позволяет увеличить эффективный оптический путь до такого расстояния, при котором обеспечиваются прецизионные измерения химического и изотопного состава запыленной атмосферы, в качестве реперного канала для стабилизации частоты излучения лазеров по выбранным линиям поглощения используется указанная оптическая многопроходная аналитическая газовая кювета, причем указанный реперный канал позволяет производить долговременную стабилизацию частоты излучения лазеров, которая обеспечивает возможность накопления и усреднения большого количества спектров для существенного улучшения отношения сигнал/шум.The Martian multichannel diode laser spectrometer "M-DLS" is a device for precision measurement of the chemical and isotopic composition of a dusty atmosphere, consisting of an analytical gas volume based on an optical multi-pass cell, a set of monochromatic diode lasers with distributed feedback with periodic tuning of the optical frequency of the probe radiation in range, covering individual vibrational-rotational absorption lines of a given molecule and its isotopologues, and a photodetector, characterized in that an optical multi-pass cell of a full optical intracavity output is used as an analytical gas volume, which is an optical cavity with a reflection coefficient of mirrors of at least 0.999, both the mirrors are partially permeable, and the number of effective full passes of the probing beam through the analytical gas volume of the optical multi-pass cell, which makes it possible to increase the effective optical the specified optical multi-pass analytical gas cell is used as a reference channel for stabilizing the laser radiation frequency along the selected absorption lines, and the specified reference channel allows for long-term stabilization of the laser radiation frequency , which provides the ability to accumulate and average a large number of spectra to significantly improve the signal-to-noise ratio.
RU2019121487A 2019-07-09 2019-07-09 M-dls martian multichannel diode-laser spectrometer RU2730405C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019121487A RU2730405C1 (en) 2019-07-09 2019-07-09 M-dls martian multichannel diode-laser spectrometer

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019121487A RU2730405C1 (en) 2019-07-09 2019-07-09 M-dls martian multichannel diode-laser spectrometer

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2730405C1 true RU2730405C1 (en) 2020-08-21

Family

ID=72237993

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019121487A RU2730405C1 (en) 2019-07-09 2019-07-09 M-dls martian multichannel diode-laser spectrometer

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2730405C1 (en)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20180024051A1 (en) * 2016-07-25 2018-01-25 Mks Instruments, Inc. Gas measurement system
US20190128799A1 (en) * 2017-11-01 2019-05-02 Abb Schweiz Ag Simultaneous integrated cavity output spectroscopy and ringdown measurements for the detection of broad band absorbing gas species

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20180024051A1 (en) * 2016-07-25 2018-01-25 Mks Instruments, Inc. Gas measurement system
US20190128799A1 (en) * 2017-11-01 2019-05-02 Abb Schweiz Ag Simultaneous integrated cavity output spectroscopy and ringdown measurements for the detection of broad band absorbing gas species

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Alexander V. Rodin и др. "M-DLS laser and heterodyne IR spectrometer for studies of the Мartian atmosphere from ExoMars-2018 landing platform", Proceedings of SPIE, Infrared Remote Sensing and Instrumentation XXIII, т. 9608, 2015 г., стр. 96080B-1 - 96080B-5. *
I.I. Vinogradov и др. "M-DLS experiment for the EXOMARS-2020 stationery landing platform", Сборник тезисов девятого московского симпозиума по солнечной системе, 2018 г., стр. 214-215. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Durry et al. Near infrared diode laser spectroscopy of C 2 H 2, H 2 O, CO 2 and their isotopologues and the application to TDLAS, a tunable diode laser spectrometer for the martian PHOBOS-GRUNT space mission
Zondlo et al. Vertical cavity laser hygrometer for the National Science Foundation Gulfstream‐V aircraft
US20120261578A1 (en) Scanning laser infrared molecular spectrometer
Le Breton et al. The first airborne comparison of N 2 O 5 measurements over the UK using a CIMS and BBCEAS during the RONOCO campaign
Fried et al. Tunable infrared laser instruments for airborne atmospheric studies
Catoire et al. A tunable diode laser absorption spectrometer for formaldehyde atmospheric measurements validated by simulation chamber instrumentation
Rollins et al. A laser-induced fluorescence instrument for aircraft measurements of sulfur dioxide in the upper troposphere and lower stratosphere
Sargent et al. A new direct absorption tunable diode laser spectrometer for high precision measurement of water vapor in the upper troposphere and lower stratosphere
Ghysels et al. Spectroscopy of CH 4 with a difference-frequency generation laser at 3.3 micron for atmospheric applications
Dyroff et al. Compact diode-laser spectrometer ISOWAT for highly sensitive airborne measurements of water-isotope ratios
Durry et al. Laser diode spectroscopy of H2O at 2.63 μm for atmospheric applications
Zéninari et al. Laboratory spectroscopic calibration of infrared tunable laser spectrometers for the in situ sensing of the Earth and Martian atmospheres
RU2730405C1 (en) M-dls martian multichannel diode-laser spectrometer
Dyroff et al. Tunable diode laser in-situ CH 4 measurements aboard the CARIBIC passenger aircraft: instrument performance assessment
Le Barbu et al. Diode laser spectroscopy of H 2 O and CO 2 in the 1.877-μm region for the in situ monitoring of the Martian atmosphere
Khair et al. In situ measurements of methane in the troposphere and the stratosphere by the Ultra Light SpEctrometer Amulse
May et al. Measurements of line positions, intensities, and collisional air-broadening coefficients in the HNO3 7.5-μm band using a computer-controlled tunable diode laser spectrometer
Nabiev et al. Monitoring the chemical composition of air in case of Interplanetary and long-term space flights: problems, approaches, and solutions
Pilgrim et al. Optical multi-gas monitor technology demonstration on the International Space Station
Miller et al. Open-path, quantum cascade laser-based sensor for high resolution atmospheric ammonia measurements.
Stepanov et al. Laser analysis of the relative content of ortho-and para-water molecules for the diagnostics of spin-selective processes in gaseous media
May et al. The MVACS tunable diode laser spectrometers
Briggs et al. Qualification of a multi-channel infrared laser absorption spectrometer for monitoring CO, HCl, HCN, HF, and CO2 aboard manned spacecraft
Wilson et al. A hollow-waveguide gas correlation radiometer for ultra-precise column measurements of formaldehyde on Mars
Grigor’ev et al. Investigation of 235 UF 6 and 238 UF 6 spectra in the mid-IR range