SU1665285A1

SU1665285A1 - Способ определени концентраций молекул в газовых средах

Info

Publication number: SU1665285A1
Application number: SU884602732A
Authority: SU
Inventors: Михаил Геннадьевич Каспаров; Анатолий Васильевич Мохов; Анатолий Павлович Нефедов
Original assignee: Институт высоких температур АН СССР
Priority date: 1988-10-17
Filing date: 1988-10-17
Publication date: 1991-07-23

Abstract

Изобретение относитс к измерительной технике, а именно к способу определени концентраций молекул в газовых средах, и может быть использовано дл исследовани газовых сред в технических устройствах. Цель изобретени - увеличение области применимости за счет увеличени чувствительности и возможности локальных измерений в газовых средах. Способ применим во всех видах пламен, при проведении исследований в кюветах и любых других устройствах, где наличие симметрии позвол ет выбрать две точки дл измерени интенсивности сигналов широкополосной флуоресценции. В способе провод т измерени интенсивности сигналов широкополосной флуоресценции в двух точках, вычисл ют их отношение, а определение концентраций осуществл ют по этому соотношению с учетом рассто ни между точками.

Description

Изобретение относитс к измерительной технике, а именно к способу определени концентраций молекул в газовых средах, и может быть использовано дл исследовани газовых сред в технических устройствах .

Цель изобретени - расширение области применимости.

Интенсивность сигнала широкополосной флуоресценции без учета поглощени при мощност х излучени , далеких от насыщени , даетс формулой

1фл- Кг10 -П|(у)

где 10 - интенсивность лазерного излучени ;

у - координата вдоль направлени распространени излучени ;

щ(у) - населенность поглощающего 1-го уровн ;

Ki - некотора константа.

С учетом поглощени

00

фл Ki -to -ni(y) c(y) / f(v) exp (о о ел го

00

л

(y)f(v)dy)dv,

- 00

(2)

олосени асы (D

лучегде с(у) - коэффициент, учитывающий поглощение излучени флуоресценции от объема возбуждени до фотоприемника.

Выбира две точки так, чтобы концентрации молекул в них и поглощение излучени от объема возбуждени до фотоприемника

совпадали, т.е. n,(yi) п,(у:) и с(уч) - с(у2), получаем

G - фл (Ур

1фл (У2)

rii(y)-const, а с (у|) - с (уг) дл двух л симметричных точек.

Использу определение эквивалентной ширины линии (6 стр 24)

00

У1

/f(v)exp(-J(y)f(dy)dv

-00

/f(v)exp(-,(y)f(v)dy)dv

-00

Данна формула св зывает измер емое отношение с коэффициентом поглощени в центре линии }С0 (у), который св зан с концентрацией поглощающих молекул соотношением

Же (у) h п, (у)

(4)

Полна концентраци молекул равна

М(У)

щ(у) ,ДЕ|

Гехр(тг

)

где N - концентраци молекул;

gi - статвес,

Д EI - энерги 1-го уровн ,

Т - температура,

Q - статсумма;

И21 - частота перехода,

В12 - коэффициент Энштейна;

f (г - спектральна функци профил линии;

эе0 - коэффициент поглощени ;

а- отношение интенсивностей;

h - посто нна Планка;

С - скорость света;

k- посто нна Больцмана;

у - координата вдоль пучка излучени резонансной частоты

В том случае, если зависимость зе0 (у) известна, возможно по измерени м в двух точках восстановить абсолютные значени концентраций вдоль пучка излучени . Если зависимость эе0 (у) не известна, то возможно либо определение средней концентрации молекул между точками yi и у2 путем предположени о пр моугольном профиле, либо сн тие зависимости ct(yi, У2) и по ней восстановление абсолютных значений концентрации вдоль пучка излучени в соответствии с выражением. В способе отсутствует требование о наличии промежутка, не содержащего исследуе- мых молекул. Дл большинства практических случаев (плоские пламена, кюветы и т.д.) выражени (3-5) сильно упрощаютс . Так, дл плоского пламени цилиндрической формы с предварительным смещением

00

Av /(1 - ехр (-#0l)dv ,

о

чл перепишем (3) в виде

(6)

d(0)

)

R- у

(0)

d (9f0 I)

I R +У

(7)

0

5

0 5

0

5

0

5

Здесь R - радиус пламени;

у- координата вдоль направлени излучени ( на оси пламени).

Av Поскольку значение д затабулировано (7), в данном случае легко получить по измеренному отношению фл(-у)/1фл(у) значение Жо. По значению #а дл каждого вида профил линии (доплеровский, лорен- цевский, фойхтовский) находитс концентраци . В способе достаточно измерить сигнал широкополосной флуоресценции в двух точках. Измерение во второй точке производ т перемеща источник исследуемой среды вдоль оси у.

Пример. Определение концентрации молекул ОН в пропанвоздушном пламени горелки Меккера. Используют лазер на красител х 1 с ламповой накачкой типа FL - 3000 Л бда Фазикс с удвоением частоты на кристалле КДР В качестве красител примен ют родамин 6Ж. Лазер настраивают в резонанс с линией Q1 (Я 308,833 нм, gi 10) Длительность импульса -0,5 мкс, энерги в импульсе 0,1 мДж, ширина линии генерации 0,05 нм. Диаметр лазерного пучка в точке фокусировки 0,3 мм. Прошедший через плам лазерный луч направл ют на ФЭУ-87, сигнал с которого, пропорциональный мощности лазерного излучени , поступает на один из входов интегратора . Излучение флуоресценции собирают под углом 90° к . лазерному пучку. В качестве широкополосного фильтра используют монохроматор 5 МЗД-2. Ширину входной щели выставл ют 0,04 мм, выходной - 2 мм. Сигнал с ФЭУ-106 направл ют на второй вход интегратора и дел т на сигнал с ФЭУ-87. Провод т усреднение по 100 импульсам. Дл расчетов используют

интенсивности сигналов, измеренных в двух точках, наход щихс на рассто нии 0,7 см от центра горелки, которые составл ют 0,908 В и 0,478 В. Ввиду осевой симметрии горелки концентрации молекул и поглощение излучени от объема возбуждени до входа фотоприемника совпадают дл любых двух точек, наход щихс на оси у на равном рассто нии от центра горелки .

Вычисленное отношение измеренных сигналов « 1,90.

Отношение а 1,90 соответствует значение зе 0,90 , следовательно, концентраци составл ет 1,4-1016 . Следует отметить локальность данного метода. Зона измерений представл ет собой цилиндр диаметром 0,3 мм и длиной 0,04 мм (длина зоны измерений определ етс шириной входной щели монохроматора). Интенсивность измер ют только в двух точках. Способ применим во всех видах пламен, при проведении исследований в кюветах и любых других устройствах, где наличие симметрии позвол ет выбрать две точки в соответствии с вышеприведенными услови ми . Таким образом, способ имеет-болыиую область применимости

Claims

Формула изобретени

Способ определени концентрации молекул в газовых средах, включающий формирование пучка излучени с частотой, отвечающей частоте поглощени анализируемых молекул, создание зоны измерений путем фокусировани пучка в область исследуемой среды, измерение посредством фотоприемника двух сигналов широкополосной резонансной флуоресценции молекул, расчет искомой концентрации по

отношению полученных сигналов, отличающийс тем. что, с целью расширени области применимости, в зоне измерений выбирают две точки, которые характеризуютс равными величинами относительной

концентрации молекул и совпадающими значени ми поглощени флуоресценции на участке от зоны измерени до фотоприемника , провод т измерение флуоресценции в этих точках и учитывают рассто ние

между ними при расчете абсолютной концентрации .