Способ определения полуширины и интенсивности линий поглощения газов

 

,i i) 598392

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик

Л7 5

Ой i!!:. T3p (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 24.05.76 (21) 2363798/18-25 с присоединением заявки № (23) Приоритет (43) Опубликовано 30.05.79. Бюллетень ¹ 20 (45) Дата опубликования описания 30.05.79 (51) М. К..""

G 01 1 3/42

Государственный комитет (53) УДК 535.8(088.8) по делам изобретений н открытий (72) Авторы изобретения

Э. П. Зеге и И. Л. Кацев (71) Заявитель

Ордена Трудового Красного Знамени институт физики

АН Белорусской ССР (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛУШИРИНЪ|

И ИНТЕНСИВНОСТИ ЛИНИЙ ПОГЛОЩЕНИЯ ГАЗОВ

n(>) = 1+

4к (— i) 2 >тс

Изобретение относится к области спектроскопии газов и атмосферной оптики.

Известны способы определения спектрального контура, полуширины и интенсивности линий поглощения газов, основанные 5 на измерении коэффициента пропускания монохроматического излучения слоем газа при последовательном сканировании длины волны излучения (1).

Наиболее близким к предлагаемому яв- 10 ляется способ определения полуширины и интенсивности линий поглощения газов, основанный на том, что излучение перестраиваемого по частоте лазера направляют на слой исследуемого газа и регистрируют ин- 15 тенсивность прошедшего через слой исследуемого газа излучения, по зависимости которой от длины волны судят об исследуемых параметрах (2).

Но при таких способах наблюдаются большие затраты времени на измерения и недостаточная точность определения искомых параметров для узких спектральных линий.

Цель изобретения — обеспечение экспрессности измерения и повышение точности определения характеристик узких спектральных линий.

Это достигается тем, что на слой газа направляют пикосекундный световой им- 30 пульс, регистрируют зависимость интенсивности прошедшего излучения от времени, по которой судят об исследуемых параметр ах.

Сущность способа заключается в следующем.

Световой импульс распространяется в слое газа с лоренцовским дисперсионным контуром где v, — центральная частота контура.

Зависимость коэффициента поглощения газа от частоты в этом случае имеет вид

p(>) = т, (2)

4- (> — > )> 2! где S= (й(>)сЬ вЂ” интенсивность линии; (3) Av=y/2л — полуширина линии; с — скорость света в вакууме.

Исследования показывают, что, если на слой газа (трассу) длиной z послать достаточно короткий световой импульс так, чтобы были выполнены условия

598392

))1 )) I,— ., (4-) ! с Д имп то интенсивность прошедшего излучения в момент времени t »Szc (ATÄÄÄ) 2/4 описывается формулой

I =-А — I< «сов ((«45«t { — ) (5( где At„„„„„, длительность посылаемого импульса;

v{(— несущая частота падающего импульса;

Л вЂ” х(ноукитель, зависящий от энергии исходного сигнала, но независящий отвре 1 е({ и

В формулах (4), (5) и далее считается, что у измеряется в см, S — в см — км — .

Отмстим, что величина т=45г/у в (4) представляет собой оптическую плотность трассы длиной z на центральной частоте = у. лш(ип поглощения. Время / в (5) отсчитывается or момента прихода начала импульса в конечную точку трассы.

Из формулы (5) следует, что при выполнении условий (4) временная зависимость I не зависит от исходного светового импульса, определяющего лишь величину интенсивности. Поэтому в соответствии с формулой (5) по регистрируемой временной зависимости интенсивности прошедшего излучения моукно определять полуширину и интенсивность линии поглощения газа.

На чертеже в логарифмическом масштабе показана зависимость I от t при у=0,6;

4Sz

",сД1„м„=0,04; =50. Видно,что интенсив«

I ность излучения осциллирует во времени.

Значения моментов времени t! и 1р, в которыс интенсивность минимальна, связаны с интенсивностью линии уравнением " 45ас1„+ — = (и+ — и. (6)

4 \, 2( где n= l, 2.

Следовательно, измерив зависимость 1 от t и определив на графике моменты времени

t(и t2, можно найти интенсивность линии согласно соотношению — — (7)

4z c(1 t — {у у,)

Из (5) и (7) следует, что, зная t! и t2, можно найти моменты времени

t, = 3,06 (1 У t, — / 3,), t, = 2,47t„(8) удовлетворяющие условию co«« I(«4$«t+

+ —" =1, и, определив по графику интенсивности 1п и 14 в моменты времени 4 и t4, найти полуширину линии поглощения по соотношению

Ь =-- = 1((— — 1,36, (9)

2п с поз (I4

В таблице для разных значений оптиче5 4Sz ской плотности т= приведены основт ные характеристики временной зависимости интенсивности излучения су (4 — t{), су (t4 — 4), отношение интенсивностей 14/1,;

q — отношение интенсивности в момент времени t3 к амплитуде исходного светового импульса при суД1имп=0,04. При увеличении суД1пм величина {1 возрастает пропорционально с1!Д4,„)2. Эти данные позволяют оценить основные требования, предьявляемые к аппаратуре для реализации предлагаемого способа: временное разрешение, динамический диапазон измеряемых интенсивностей, чувствительность.

Можно показать, что оптимальная для измерений длина трассы находится в ин1 1 тер вале Раз2 сД имп с двимн

25 ность времени между минимумами

t, — t, = 10М„мп при

Sc 4ìï

t, — t, =20д имп

30 2Sckt„„„ т. е. временное разрешение регистрирующей аппаратуры должно быть порядка

A римп.

Пример. Для определения параметров линии вращательной структуры А — полосы атмосферного кислорода на слой газа посылается импульс длительностью At„{{ =

=4 10 —" с. Тогда, выбирая трассу длиной

z=2,5 км и регистрируя временную зависимость интенсивности прошедшего излучения по графику этой зависимости, находим положения минимумов t(=1,83 10 — "с и t2 — — 5,67 10 ", по соотношениям (8) вы45 числяем моменты времени 4=3,2 10-" с и t4 —— 7,9.10 —" с, далее по графику находим интенсивности 13 — — 2,6 10 — и 14 —— 2,7

10 — и по соотношениям (7) и (9) определяем значения интенсивности линии S=

=3«15 см — км — и полуширины линии

Av= 0,102 см — .

Погрешность определения полуширины линии в данном случае равна 0,002 см —, в то время, как для существующих способов (для прототипа) погрешность составляет 0,01 — 0,05 см — . Важно, что в отличие от прототипа, способ применим тем лучше и, следовательно, его преимущества тем значительнее, чем меньше полуширина спектральной линии. Действительно, если, например, при постоянстве интенсивности линии S уменьшается величина у, то увеличивается величина z=4Sz/у и, следовательно (см. табл.), уменьшается перепад

65 интенсивностей между максимумами при

598392

4Sz

Оптическая плотность, т

Характеристики временной зависимости интенсивности излучения

30

IOO

0,7

0,35

1,75

3,5

CI (t3 — 1 )

С1 (4 3) 2,5

1P — 3

1,4 10

I,25

0,5

0,25

6,5 10

3.10

2,5 10

5.10

1,3 10 7

5 10

3g 1P — 3

30 сохранении требуемых временных разрешений аппаратуры и трассы длиной

С другой стороны, в этом случае можно увеличить длительность импульсов At„„, уменьшить трассу и, тем самым, увеличить разность времени между минимумами (и максимумами) при сохранении перепада интенсивностей.

Кроме того, способ обеспечивает экспрессность измерений за счет посылки 10 лишь одного светового импульса.

Формула изобретения

Способ определения полуширины и интенсивности линий поглощения газов, основанный на том, что излучение направляют на слой исследуемого газа и регистрируют интенсивность прошедшего через слой исследуемого газа излучения, по которому судят об исследуемых параметрах, отл и ч аю шийся тем, что, с целью обеспечения экспрессности и повышения точности определения характеристик узких спектральных линий, на слой газа направляют пикосекундный световой импульс, регистрируют зависимость интенсивности прошедшего излучения от времени и определяют интенсивность и полуширину линии поглощения газа из следующих соотношений:

Л = 1п — — 1З6

0,34

С " 3 4 где S — интенсивность линии поглощения;

v — полуширина линии;

z — длина трассы; с — скорость света;

t> и 4 — моменты времени, соответствующие двум соседним минимумам зависимости интенсивности излучения от времени;

t3 — — 3,06(4 — Vf>) — моменты времен t4 — — 2,4713 ни, в которые определяются значения интенсивностей 13 и 14.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Адике Т. Г., Дианов-Клоков В. И. Известия АН СССР, т. IV, ЛЪ 10, 1968. Серия

«Физика атмосферы и океана».

2. Годлевский А. П., Зуев В. Е., Лопасов В. П., Макагон М. М. Тезисы докладов

Всесоюзного симпозиума по молекулярной спектроскопии высокого и сверхвысокого разряжения, Томск, 1972.

598392

10

Составитель С. Соколова

Техред А. Камышникова

Редактор Т. Колодцева

Корректор 3. Тарасова

Типография, пр. Сапунова, 2

Заказ 2025/3 Изд. № 338 Тираж 779 Подписное

НПО «поиск» Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, 7Ê-35, Раушская наб., д. 4/5