Способ дистанционного контроля содержания закиси азота в газовой среде

НАЦИОНАЛЬНЫЙ цЕНтР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОИ СОБСТВЕННОСТИСОДЕРЖАНИЯ ЗАКИСИ АЗОТА В ГАЗОВОЙ СРЕДЕ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики им. Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси (ВУ)(72) Авторы Петухов Владимир Олегович Горобец Вадим Анатольевич Пучковский Илья Николаевич Мацукевич Анатолий Андреевич (ВУ)(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики им. Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси (ВУ)Способ дистанционного контроля содержания закиси азота в газовой среде, включающий облучение газовой среды импульсным лазерным излучением на двух частотах,одна из которых совпадает с линией поглощения закиси азота, а другая не совпадает, и определение концентрации закиси азота по отношению интенсивностей прошедшего через среду или рассеянного назад излучения на указанных частотах, отличающийся тем,что газовую среду облучают излучением молекулярного газового лазера мощностью порядка 1 МВт в спектральном диапазоне 4,51-4,54 мкм, причем длины волн, соответствующие двум используемым частотам, отличаются на значение до 0,01 мкм.Изобретение относится К области экологии И охраны окружающей среды, в частности К методам лазерного газоанализа, И может быть использовано для дистанционного контроля содержания закиси азота в атмосфере - газа, являющегося одним из основных разрушителей защитного озонового слоя Земли.В последнее время успешно развиваются лазерные способы газоанализа, перспективные для многих важных приложений. Способность практически в реальном масштабе времени определять Чрезвычайно низкие газовые концентрации (для лазерной фотоакустики на уровне одной молекулы из 10 миллиардов (0,1 ррЬ и обслуживать обширные площади земной поверхности из одной точки наблюдения (для лидаров - это сотни и более квадратных километров) дают им неоспоримые преимущества по сравнению с другими известными методами диагностики.Известен способ определения концентрации ряда газов 1, 2 аммиака, бензола, озона,этилена в атмосфере с помощью перестраиваемого по спектру лазера невысокой мощности. Однако использование лазера с выходной мощностью, значительно меньшей 1 МВт,существенно ограничивает протяженность зондируемых трасс, в частности, до 2,5 км. Кроме того, диапазон перестройки используемого лазера 9,2-10,8 мкм не позволяет осуществлять детектирование многих атмосферных газов, в том числе и закиси азота.Наиболее близким по совокупности и значимости решаемых задач, а также по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ дистанционного контроля газовой среды на основе мощного (107-108 Вт/см 2) лазерного источника (например,иттрий-алюминиевый гранат с преобразователем излучения во 2-ую гармонику плюс импульсный лазер на красителе) 3. Такая комбинированная лазерная система дает возможность осуществлять мониторинг атмосферы на значительных по протяженности трассах и определять концентрации ее некоторых газовых составляющих, в частности двуокиси азота (ЫО 2). Тем не менее такого типа излучатель характеризуется высокой сложностью и низкой эффективностью (суммарный КПД двух серийных высокомощных лазеров с преобразователем излучения во 2-ую гармонику составляет в лучшем случае 0,5 ). Во многих применениях, и особенно при измерении малых концентраций закиси азота (Ы 2 О),фоновое содержание которого в атмосфере составляет всего лишь О,2-О,4 ррш, данный способ обладает существенной погрешностью, так как основывается на дифференциальном методе облучения газовой среды на двух сравнительно далеко отстоящих друг от друга частотах, отличающихся на значение частоты комбинационно-активного перехода непоглощающей компоненты газовой смеси. В этом случае отличие между частотами (б) на порядок и более превосходит минимально допустимое значение б, которое позволяет полностью исключить ошибку измерений, обусловленную трудно учитываемым нерезонанснь 1 м поглощением молекулярной и аэрозольной составляющими атмосферы. Например,для среднего ИК диапазона б не должна превышать -5 см 1 (-0,01 мкм). Причем зондирование по указанному способу производится в области длин волн, отличающейся от спектрального диапазона 4,51-4,54 мкм, в котором расположена наиболее сильная полоса поглощения ЪЬО.Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности и точности способа дистанционного контроля содержания закиси азота в газовой среде.Поставленная задача решается за счет того, что газовую среду облучают импульсным излучением молекулярного газового лазера мощностью порядка 1 МВт в спектральном диапазоне 4,51-4,54 мкм на двух близких частотах, причем длины волн, соответствующие двум используемым частотам, отличаются на значение до 0,01 мкм.В предложенном способе в качестве лазерного источника используют СО 2-лазер,работающий на изотопической модификации углекислого газа 12 С 18 О 2, с последующим удвоением частоты его излучения в нелинейном кристалле. Замена обычной широкораспространенной модификации 12 С 16 О 2 на более редкую 12 С 18 О 2 сдвигает спектр эффективной генерации лазерной системы в более коротковолновый диапазон 9,0-9,2 мкм (К-ветвьполосы 0001-0200 изотопической разновидности 12 С 18 О 2). Последующее удвоение частоты генерации в нелинейном кристалле позволяет получить излучение в диапазоне 4,5-4,6 мкм. Как раз в этом диапазоне расположена сильная полоса поглощения закиси азотаРешению поставленной задачи способствует возможность спектральной перестройки предложенной лазерной системы по отдельным колебательно-вращательнь 1 м линиям, которые достаточно близко (до 0,01 мкм) отстоят друг от друга. В результате появляется большая вероятность совпадения линий генерации с линиями поглощения 112 О. Принципиально важно также, что зондирование исследуемой среды производят молекулярным газовым лазером. Характерная особенность такого типа лазеров - узкая линия генерации и очень высокая спектральная стабильность. Причем это, в отличие от твердотельных лазеров и лазеров на красителях, реализуется естественным путем без сложных дополнительных устройств, что существенно упрощает лазерную систему и увеличивает точность измерений.Предлагаемый способ поясняется графиками и иллюстрациями, где на фиг. 1 приведена спектральная зависимость поглощения закиси азота, на фиг. 2 дана характеристика вь 1 ходных параметров (спектральный диапазон перестройки и выходная мощность) практически всех известных лазерных систем и на фиг. 3 показаны линии поглощения закиси азота, фоновых газов (Н 2 О и СО) и линии генерации используемой лазерной системы.Спектральный анализ 1 Т 2 О (фиг. 1) показывает, что характерная особенность этой молекулы - отсутствие поглощения в диапазонах, где работают известные лазеры (см. фиг. 2), за исключением очень сложных и (или) крайне неэффективных многокаскадных систем с нелинейным преобразованием частот (генерация гармоник с последующим суммированием частот) известных лазеров, параметрических генераторов света и перестраиваемых лазерных диодов. Поэтому эффективного, доступного для пользователей способа детектирования М 2 О с помощью лазера ранее не было создано. Кроме того, дополнительная трудность при разработке такого способа возникает из-за необходимости детектировать очень малые концентрации закиси азота (фоновое содержание этого газа в атмосфере составляет 2-4 молекулы из 10 миллионов (0,2-0,4 ррш. Таким образом, малые концентрации 1 Т 2 О можно эффективно определять методами лазерного детектирования лишь при использовании СО 2-лазера, работающего на изотопической модификации углекислого газа 12 С 18 О 2, с последующим удвоением частоты его излучения в нелинейном кристалле. Только применение такой лазерной системы позволяет получить достаточно мощное излучение в диапазоне 4,5-4,6 мкм, где расположена сильная полоса поглощения закиси азота (4,51-4,54 мкм).Из фиг. 3, спектральные характеристики на которой получены путем компьютерного моделирования на основе современных пакетов спектроскопических данных, по способу дифференциального поглощения выбираем оптимальные пары лазерных линий (оп Ппе и ОН Пне). В качестве оп Пне (линия с максимально возможным поглощением) берем удвоенную частоту линии К(32) или линии К(40), а в качестве ОЙ Ппе (линия с минимальным поглощением) выбираем соседние с ними линии К(34) или К(38), соответственно. Важно, что указанные лазерные линии не совпадают с линиями поглощения Н 2 О и СО и на них получена эффективная генерация. При этом расстояние между указанными линиями не превь 1 шает 0,01 мкм.Высокая эффективность используемой лазерной системы (возможно применение серийного ТЕА СО 2-лазера мегаваттной мощности с КПД 10 и типичного удвоителя частоты на нелинейном кристалле А 56 а 5 е 2 с КПД по пиковой мощности 40 ) обеспечивает с высокой точностью (-10 ) измерение малых газовых концентраций вплоть до уровня-1 ррЬ как на небольших, так и на протяженных (-10 и более км) трассах. Указанную точность достигают за счет того, что использование в спектральном диапазоне 4,51-4,54 мкм лазерной системы на изотопической модификации углекислого газа 12 С 18 О 2, с последующим удвоением частоты излучения в нелинейном кристалле позволяет получать пиковую мощность облучающего излучения порядка 1 МВт.Это позволяет Использовать данный способ непосредственно для определения Малых(фоновых) концентраций закиси азота, одного из основных газов - разрушителей защитного озонового слоя земной атмосферы.Предлагаемый способ реализован при трассовом зондировании атмосферы с помощью стандартного лидарного комплекса аппаратуры.Предлагаемый способ по сравнению с прототипом увеличивает в 8 раз КПД лазерного источника, как минимум, в два раза повышает точность измерений и позволяет надежно детектировать закись азота в атмосфере.3. А.с. 1814054 СССР, 6 0111 21/61, 21/39. Способ дистанционного контроля газовой среды // БИ Не 17, 1993.ВЫХОДНЕЯ МОЩНОСТЬ, ОТН-ед ННВР 1.100 симерннй 1,00 Ь на кЕшгвпях комбинационный лазер с переброаюй спина д.10 На центрах окраскио 2 4 в в 1 о м мкм Фиг. 2 Поглощение. д 1 0 то) та) щепа) щи та всю) та) пинии трап шпионит 5 5 5 согл-веров Р 5.. нгоюо,азачитанная длин 0.2 кнНациональный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.