Диссертация (Радиотехнические приёмно-преобразующие устройства оптико-электронных систем), страница 7

Не рассматривается такжеприменение фотоэлектронных умножителей в ФПУ.В [100-103] предложен расчет чувствительности фотоинтегратора с использованиемдвойной коррелированной выборки отсчетов сигнала (Correlated Double Sampling, CDS),используемой для уменьшения низкочастотного шума, а также эффектов, вызванныхконечным усилением и напряжением смещения в КМОП - усилителях заряда. Операциядвойной коррелированной выборки состоит в сохранении темнового шумового напряженияусилителя в течение первого такта синхросигнала и вычитании в течение второго тактасохраненного напряжения из следующей выборки [100].

Теоретически данный методпозволяет полностью устранить шум 1/f (фликкер-шум) на выходе усилителя (реальноевычитание происходит с потерями, поэтому полностью устранить шум не удается).Из свойства стационарности случайного сигнала автокорреляционная функцияразностного сигнала y(t) равна [100]:Ry ( )  2Rx ( )  Rx (   )  Rx (   )(1.13)где Rx(τ) - автокорреляционная функция входного сигнала х(t), ξ - время задержки между двумяпоследовательными выборками. Преобразование Фурье от (1.13) дает соответствующуювыходную спектральную плотность мощности:  S y ( )  S x ( )(2  e  j   e j  )  4 sin 2  S x ( ) 2 (1.14)где Sx(ω) - спектральная плотность мощности входного сигнала.

Можно видеть, что если  входной спектр сосредоточен в области НЧ, умножение на sin 2  способно практически 2 устранить низкочастотный шум. С другой стороны, двойная коррелированная выборкаприводит к усилению шума на высоких частотах [101]. По этой причине двойнаякоррелированная выборка в диссертации рассматриваться не будет.Таким образом, в литературных источниках, рассматривающих вопросы проектированияи создания ППУ на основе интегратора фототока, 1) отсутствуют методики точного расчетачувствительности фотоинтеграторов с учетом реальных импульсных характеристик, 2)отсутствуют методики расчета чувствительности фотоинтеграторов с использованиемфотоэлектронных умножителей.Рассмотрению этих вопросов посвящена Глава 3 диссертации.311.3.

Радиотехнические приемно-преобразующие устройства регистрациимолекулярных ядер конденсацииВ последние годы назрела острая необходимость в создании приборов для анализапримесей в газе с очень высокой чувствительностью. Актуальность этой проблемыобусловлена такими факторами, как создание новых производств с возможностьювысокотоксичных выбросов в атмосферу (производства по переработке и уничтожениюхимического оружия; карбонильные технологии получения металлических покрытий иизделий и т.д.); утечки высокотоксичных веществ при их производстве, хранении итранспортировке в результате аварий, негерметичности аппаратуры или тары, либо врезультате исчерпания ресурса фильтров; возрастающая угроза химического терроризма;выбросы в атмосферу высокотоксичных веществ, например, диоксинов, ртути в результатенесанкционированного сжигания бытовых и промышленных отходов.К настоящему моменту созданы газоанализаторы на различных физических принципах.Особое место среди них занимают аэрозольные газоанализаторы на основе эффектамолекулярных ядер конденсации (МоЯК) [104].

Технологические принципы метода МоЯКзаключаются в превращении молекул примесей в ядра конденсации молекулярного размера,последующему двухступенчатому их укрупнению в пересыщенных в парах специальноподобранных труднолетучих органических веществ до размера 0.25 мкм и измерениюрассеяния электромагнитных волн оптического диапазона (светорассеяния) на полученномаэрозоле.Предел обнаружения целевого компонента газоанализатора, иначе именуемыйчувствительностью к детектируемому веществу, во многом определяется конструкцией итехническими характеристиками приемно-преобразующего устройства газоанализатора наметоде МоЯК.

В состав приемно-преобразующего устройства входят: фотометр, измеряющийфототок светорассеяния аэрозольными частицами и блок управления, регистрации иобработки информации (УРОИ), обеспечивающий принцип регистрации оптического сигналаи его обработку. Принцип проявления молекулярных ядер конденсации задает техническиетребованиякприемно-преобразующемуустройствуоптико-электроннойсистемыгазоанализатора, работающего на эффекте проявления МоЯК. Вместе с тем, улучшениехарактеристик приемно-преобразующего устройства при определенных условиях приводит кулучшению параметров всей оптико-электронной системы газоанализатора.Явление образования аэрозольных частиц из отдельных активных молекул в средепересыщенного пара труднолетучих органических веществ с большим молекулярным весомвпервые описал Я.И. Коган в 1965 году [105].

На основе этого явления был разработан методопределения ультрамалых концентраций примесей в газах [106], названный автором методом32молекулярных ядер конденсации (МоЯК).Реализация метода МоЯК заключается в ряде последовательных воздействий нанепрерывный поток газа, содержащий подлежащий определению примеси [107], с цельюполучения аэрозольных частиц, формирующихся на молекулах примеси, и измерениясветорассеяния аэрозольными частицами, пропорционального концентрации примеси висходной пробе. Процесс образования аэрозольных частиц из молекул примеси представляетследующие стадии:1.

Конвертирование молекул примеси в МоЯК при воздействии УФ-облучения,действия химических реагентов, высокой температуры, электрического разряда и т.д.2. Активация МоЯК – присоединение молекул-активаторов к ядрам конденсации дляувеличения вероятности их дальнейшего превращения в аэрозольные частицы.3. Проявление МоЯК – воздействие на МоЯК пересыщенных паров так называемогопроявителя(труднолетучегоорганическоговещества),приводящеекобразованиюнеобратимо растущих зародышей аэрозольных частиц с размерами ≈20 нм.4. Дополнительное укрупнение зародышей в пересыщенном паре трудно летучегоорганического соединения с образованием частиц монодисперсного аэрозоля с радиусомчастиц  0,25 мкм.

Специфическими элементами газоанализатора на основе эффектапроявления МоЯК, в которых реализуется третья и четвертая стадия процесса детектирования,являются конденсационные устройства (КУСТ), где в непрерывном потоке газа, содержащемМоЯК, образуется пересыщенный пар проявляющего (укрупняющего) вещества.Полученный в результате воздействий аэрозоль поступает в ППУ газоанализатора.Измерение рассеяния электромагнитных волн на аэрозольных частицах предпочтительнопроводить в оптическом диапазоне длин волн в фотометре ППУ. Электрический сигнал навыходе фотоприемного устройства фотометра ППУ пропорционален концентрацииопределяемой примеси на входе в фотометр.

Чрезвычайно высокая чувствительность методаМоЯК обусловлена высокой чувствительностью примененного оптико-электронного методарегистрации аэрозоля в ППУ и соблюдением условий, обеспечивающих достаточно высокуювероятность образования аэрозольной частицы на молекулярном ядре. Для обеспечениявозможности наблюдения эффекта МоЯК оптимальные вещества-проявители должныобладать большими значениями молекулярной массы, низкой летучестью и потенциальнойспособностью образовывать комплекс с предполагаемым молекулярным ядром.

Полученныев лаборатории методов и аппаратуры контроля ОАО «ЭНПО «Неорганика» (г. Электросталь)экспериментальные результаты подтверждают этот вывод.В зависимости от способа конверсии примеси в молекулярные ядра конденсации иприроды вещества – проявителя, газоанализатор на МоЯК позволяет определять33индивидуальные соединения и группу соединений.На рис. 1-4 представлена структурная схема проявления молекулярных ядерконденсации и измерения светорассеяния аэрозольными частицами в фотометре ППУ,пропорционального концентрации примеси во входной пробе.Конвертированиемолекул примесив МоЯКПробаКонвертерППУАктивация МоЯКАктиваторПроявление МоЯКУкрупнение МоЯККонденсационноеустройство IКонденсационноеустройство IIФотометрБлокуправления,регистрации иобработкиинформацииРис. 1-4.

Схема проявления молекулярных ядер конденсации и измерения светорассеяния врадиотехническом ППУИзмерение светорассеяния полученного аэрозоля производится в фотометре приемнопреобразующего устройства газоанализатора на МоЯК. Для этого внутреннюю полостьфотометра освещают лампой или лазером (или мощным светодиодом) и измеряют рассеянныйоптический сигнал под некоторым углом к падающему свету. Фототок фотоприемногоустройства фотометра пропорционален счетной концентрации аэрозоля и, в конечном счете, концентрации молекул примеси на входе в ППУ газоанализатора на основе эффектапроявления МоЯК.

Результатом воздействий на молекулу детектируемого вещества являетсято, что размер частиц полученного аэрозоля примерно в 1000 раз превышает размер исходноймолекулы. Соответственно отражающая способность частицы аэрозоля к падающему светуувеличивается в ~1014÷1016 раз и частица аэрозоля, в центре которой находится молекуладетектируемого вещества, эффективно обнаруживается по светорассеянию.1.3.2 Технические требования к радиотехническому приемно-преобразующемуустройству оптико-электронной системы, определяемые спецификой метода МоЯКПриемно-преобразующее устройство оптико-электронной системы газоанализатора наметоде МоЯК включает фотометр, блок управления, регистрации и обработки информации(УРОИ). ППУ и конденсационные устройства (КУСТ) в литературных источникахобъединяются термином «детектор МоЯК».