Способ определения концентраций молекул в газовых средах

 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способу определения концентраций молекул в газовых средах, и может быть использовано для исследования газовых сред в технических устройствах. Цель изобретения - увеличение области применимости за счет увеличения 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 позволяет выбрать две точки для измерения интенсивности сигналов широкополосной флуоресценции. В способе проводят измерения интенсивности сигналов широкополосной флуоресценции в двух точках, вычисляют их отношение, а определение концентраций осуществляют по этому соотношению с учетом расстояния между точками.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (st)s G 01 N 21/64

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ фл К1 lo n)(y) (21) 4602732/25 .(22) 17.10.88 (46) 23.07,91, Бюл. N 27 (71) Институт высоких температур АН СССР (72) M.Ã.Êàcnàðoa, А.В.Мохов и А.П.Нефедов (53) 543.42(088.8) (56) Спектроскопия гаэораэрядной плазмы, М;: Наука, 1970, с. 7, с, 20, Stepowski 0 and Garo А, Local absolute

0H concentation measuremeut in à diffusionf lame by laser inducedfIuorescence—

Applied Optics, 1985, ч 24, по 16, рр. 24782480. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ МОЛЕКУЛ В ГАЗОВЫХ СРЕДАХ (57) Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способу определеИзобретение относится к измерительной технике, а именно к способу определения концентраций молекул в газовых средах, и может быть использовано для исследования газовых сред в технических устройствах.

Цель изобретения — расширение области применимости.

Интенсивность сигнала широкополосной флуоресценции без учета поглощения при мощностях излучения, далеких от насыщения, дается формулой где 4 — интенсивность лазерного излучения;

„„ЯЦ„„1665285 А1 ния концентраций молекул в газовых средах, и может быть использовано для исследования газовых сред в технических устройствах. Цель изобретения — увеличение области применимости эа счет увеличения чувствительности и воэможности локальных изменений в газовых средах.

Способ применим во всех видах пламен, при проведении исследований в кюветах и любых других устройствах, где наличие симметрии позволяет выбрать две точки для измерения интенсивности сигналов широкополосной флуоресценции, В способе проводят измерения интенсивности сигналов широкополосной флуоресценции в двух точках, вычисляют их отношение, а определение концентраций осуществляют по этому соотношению с учетом расстояния между точками, у — координата вдоль направления распространения излучения;

ni(y) — населенность поглощающего i-ro O уровня; Ql

К1 — некоторая константа. 1Я

С учетом поглощения ОО

Q5, 1фл = K1 10 nl(y) с(у) f f(v) ехр (— — 3ЗЬ(У) (т) dy) dv. (2)

-00 где с(у) — коэффициент, учитывающий поглощение излучения флуоресценции от объема возбуждения до фотоприемника.

Выбирая две точки так, чтобы концентрации молекул в них и поглощение излучения от объема возбуждения до фотоприемника

1665285 (6) (3) перепишем (3) в виде 1 (д-„; — (го i) )

l i =s+y (7) (5) совпадали, т.е. n (y ) = п(уг) и с(у1) = с(уг), получаем ф..(у1)

i фл. (Уг) 00 У1

f f (v) exp (- fx (y)t (v), бу)сЬ

00 уг

f t (v) ехр (-/яг,(y)f (1 ) dy)dv

Данная формула связывает измеряемое отношение с коэффициентом поглощения в центре линии. Хо (у), который связан с концентрацией поглощающих молекул соотношением

Хо (у) " уг1 " (у) (4) Полная концентрация молекул равна

N (у) = ехр () . О, где N — концентрация молекул; р — статвес, Л Е вЂ” энергия i-го уровня, Т вЂ” температура, Q — статсумма;

vz> — частота перехода, В 1г — коэффициент Энштейна;

r (v) — спектральная функция профиля линии;

3e, — коэффициент поглощения; а — отношение интенсивностей;

h — постоянная Планка;

С вЂ” скорость света;

k — постоянная Больцмана; у — координата вдоль пучка излучения резонансной частоты.

В том случае, если зависимость зео(у) известна, возможно по измерениям в двух точках восстановить абсолютные значения концентраций вдоль пучка излучения.

Если зависимость ЭЬ (у) не известна, то возможно либо определение средней концентрации молекул между точками у1 и уг путем предположения о прямоугольном профиле, либо снятие зависимости a(yt, уг) и по ней восстановление абсолютных значений концентрации вдоль пучка излучения в соответствии с выражением. В способе отсутствует требование о наличии промежутка, не содержащего исследуемых молекул, Для большинства практических случаев (плоские пламена. кюветы и т.д.) выражения (3-5) сильно упрощаются.

Так, для плоского пламени цилиндрической формы с предварительным смещением

n (y)=-const, a с (y) .— с (уг) для двух л" симметричных точек.

Используя определение эквивалентной ширины линии (6, стр. 24) Аv = f(1 — exp(-А,I)dv, о

Ар

) d (- - фу. I) ) 1ф..(у) дф,Т5 I > =<-у

Здесь R — радиус пламени; у — координата вдоль направления излучения (у=0 на оси пламени).

Av

Поскольку значение - затабулиро Ъ о вано(7), вданномслучае легко получить по измеренному отношению 1фл(-у)/! фл(у) значение с,, По значению;уело для каждого вида профиля линии (доплеровский, лоренцевский, фойхтовский) находится концентрация. В способе достаточно измерить сигнал широкополосной флуоресценции в двух точках. Измерение во второй точке производят перемещая источник исследуемой среды вдоль Оси у.

Пример. Определение концентрации молекул ОН в пропанвоздушном пламени горелки Меккера, Используют лазер на красителях 1 с ламповой накачкой типа. FL—

3000 "Лябда Фазикс" с удвоением частоты на кристалле КДР. B качестве красителя применяют родамин 6Ж. Лазер настраивают в резонанс с линией Q1 (Л = 308,833 нм, g = 10), Длительность импульса-0,5 мкс, 45 энергия в импульсе 0,1 мДж, ширина линии генерации 0,05 нм. Диаметр лазерного пучка в точке фокусировки 0,3 мм, Прошедший через пламя лазерный луч направляют на ФЭУ вЂ” 87, сигнал с которого. пропорциональный мощности лазерного излучения, 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 выставляют 0,04 мм, выходH« — 2 мм, Сигнал с ФЭУ-106 направляют на второй вход интегратора и делят на сигнал с ФЭУ-87. Проводят усреднение по

100 импульсам. Для расчетов используют

1665285 ями. Таким образом, способ имеет большую область применимости.

Составитель О. Бадтиева

Техред М.Моргентал Корректор М. Кучерявая

Редактор 8. Данко

Заказ 2388 Тираж 410 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственноиздательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина. 101 интенсивности сигналов, измеренных в двух точках, находящихся на расстоянии

0,7 см от центра горелки, которые составляют 0,908 В и 0,478 В, Ввиду осевой симметрии горелки концентрации молекул и поглощение излучения от объема возбуждения до входа фотоприемника совпадают для любых двух точек, находящихся на оси у на равном расстоянии от центра горелкии.

Вычисленное отношение измеренных сигналов а= 1,90.

Отношение а = 1,90 соответствует значение 3с 0,90 см, следовательно. концен-1 трация составляет 1,4 10 см . Следует отметить локальность данного метода. Зона измерений представляет собой цилиндр диаметром 0,3 мм и длиной 0,04 мм (длина зоны измерений определяется шириной входной щели монохроматора). Интенсивность измеряют только в двух точках. Способ применим во всех видах пламен, при проведении исследований в кюветах и любых других устройствах, где наличие симметрии позволяет выбрать две точки в соответствии с вышеприведенными условиФормула изобретения

5 Способ определения концентрации молекул в газовых средах, включающий формирование пучка излучения с частотой, отвечающей частоте поглощения анализируемых молекул, создание зоны измере10 ний путем фокусирования пучка в область исследуемой среды, измерение посредством фотоприемника двух сигналов широкополосной, резонансной флуоресценции молекул, расчет искомой концентрации по

15 отношению полученных сигналов, о т л и ч аю шийся тем. что, с целью расширения области применимости, в зоне измерений выбирают две точки, которые характеризуются равными величинами относительной

20 концентрации молекул и совпадающими значениями поглощения флуоресценции на участке от зоны измерения до фотоприемника, проводят измерение флуоресценции в этих точках и учитывают расстояние

25 между ними при расчете абсолютной концентрации.