169681 (625384), страница 3
Текст из файла (страница 3)
2. Обеспечивается исследование газовых компонент атмосферы с высоким разрешением по дальности. Длина волны может перестраиваться для наблюдений изолированных комбинационных спектров отдельных молекулярных соединений. Это обусловлено правилами отбора, которые существенно отличаются от правил отбора для обычных спектров излучения и поглощения.
3. Схема не ограничена определенными типами молекул. Она может применяться для обнаружения почти всех химических соединений, содержащихся в атмосфере, Для изучения соединений, спектр которых заранее неизвестен, желательно, чтобы детектирование всех частот комбинационного спектра осуществлялось одновременно либо как можно быстрее.
4. Полностью устраняется неопределенность в данных обратного рассеяния, в случае, когда частота рассеянного сигнала равна частоте излучения лазера. Схема позволяет установить вид рассеяния; принимаемого сигнала (рэлеевское или рассеяние на частицах). В результате обеспечиваются независимые измерения профиля аэрозоля и профилей плотности газовых компонент атмосферы.
5. Рассеянные сигналы всегда содержат комбинационное эхо от основных атмосферных газов (N2 и О2), поэтому абсолютною молекулярную плотность любого соединения легко получить, сравнивая интенсивности рассеянных сигналов, принятых из одной и той же области атмосферы.
Недостатки схемы
Основным недостатком является невысокая чувствительность при больших дальностях. Это обусловлено тем, что поперечное сечение КР на три порядка меньше рэлеевского. Следовательно, необходимы лазеры с высокой'мощностью излучения в более коротковолновом диапазоне длин воли.
2.2 Измерение концентрации и температуры газов
С помощью СКР исследовано несколько газов промышленной чистоты. Давление, а следовательно, и плотность (Tconst) изменялись по величине на три порядка. В качестве источника возбуждающего излучения использовался рубиновый лазер типа TRG модели 104А с модулированной добротностью ( = 694,3 нм). Энергия импульса излучения была 1 кДж при длительности около 10 нс (по полуширине), что соответствовало пиковой мощности 100 МВт. Излучение было линейно поляризовано в вертикальной плоскости. В экспериментах использовался спектрограф модели М-401. Регистрация спектров КР на выходе спектрографа осуществлялась с помощью высокочувствительного ФЭУ (модель RCA № 031000) и высокоскоростного осциллографа. Ширина входной щели спектрографа регулировалась в пределах 25 – 100 мкм.
На рис. 6 приведены результаты измерения интенсивностей линии КР в чистых газах. Для выделения комбинационных линий в спектре рассеянного света использовались два узкополосных фильтра. Для СО2, имеющего четыре стоксовы компоненты, спектрограф регистрирует общую интенсивность колебательно-вращательных полос на длинах волн 768,3 и 769,6 нм. Проводились также раздельные измерения интенсивности на полосах 710,2 и 762,3 нм, которая составляла 8,1 10-8 Вт при интенсивности возбуждающего излучения 75 МВт. Измеренная и расчетная интенсивности линий в диапазоне изменения плотности газа на 2,5 порядка хорошо согласуются. Погрешность измерений понижается при более высоких давлениях газа и увеличивается до 15—20 % при низких. Нижний предел измеренного давления для N2 составил 1,3 кПa, что выше, чем для О2 и СО2 (0,4 - 0,53 кПа). Это объясняется тем, что эффективное сечение света для N2 меньше, чем для О2 и СО2. При низком давлении интенсивность рассеянного света находится в пределах шума ФЭУ и не может быть измерена. Графики, приведенные на рис. 6, можно рассматривать как калибровочные и использовать их для определения парциальных концентраций веществ в различных газовых смесях, состав которых заранее известен.
Параметры КР молекул многих веществ либо не известны, либо измерены неточно. Типичным примером является вода, содержание которой в атмосфере и профиль ее распределения являются важнейшими параметрами формирования погодных условий. В связи с важностью константы (Н2О) проведен цикл измерений поперечного сечения колебания молекулы воды в жидкой и газообразной фазах с максимальным учетом возможных погрешностей. В качестве эталонных линий использовались линии КР газообразного азота 2331 см-1 и жидкого бензола 992 см-1, сечения которых определены точно. Спектр КР возбуждался аргоновым лазером (Рп = 1 Вт). В результате многократных записей интегральной интенсивности полосы 3400 см-1 жидкой воды и линии 992 см-1 бензола получено Ж(Н2О) = (9 ± 2) 10-30 см2 ср-1 мол-1. В туманах и спектре КР в области полосы v1 из-за сильной водородной связи наблюдается широкая полоса со сравнительно острым пиком на частоте 3652 см-1. При соответствующей обработке такой полосы можно определить содержание воды в жидкой и парообразной фазах. При измерении сечения КР линии 3052см-1 парообразной воды использовались те же эталонные линии. Поперечное сечение уменьшается почти в шесть раз при переходе из жидкой фазы в газообразную. Аналогичная картина наблюдается и для многих органических веществ, но их поперечное сечение при переходе в пар уменьшается в 2—3 раза.
Рис. 6. Интенсивность стоксовой компоненты КР О2 (1), N2 (2) и СО2 (3), измеренная в воздухе, при комнатной температуре с помощью спектрографа, фильтрами, Р = 0,21; 28 кПа, Р = 13,3 – 106, 4 кПа;
Проведены лабораторные измерения количественных характеристик КР от границы раздела воздух — вода с целью изучения загрязненности воды и выяснения возможностей исследования больших по площади водных акваторий с помощью лидара, устанавливаемого на борту самолета или спутника. КР паров воды зависит от энергии падающего фотона (в качестве эталона использовался N2).
На рис. 7 приведены поперечные сечения для смеси паров улеводородов, входящих в состав нефти, которые в 115 раз больше поперечного сечения КР для азота.
Рис. 7. Спектр КР смеси паров углеводородов, входящих в состав нефти ( = 532 нм)
На границе раздела спектр КР очень близок к спектру от объема жидкости. Исследовано тепловое «загрязнение» (тепловая страфикация) искусственного образца морской воды. Интенсивность, положение и форма основного максимума в спектре КР в морской воде являются функцией температуры. Этот результат аналогичен измерениям в чистой воде. Наличие ионов растворенного вещества в воде не изменяет температурной зависимости спектра. Спектры рассеяния на границе раздела воздух — вода (чистая) и воздух — нефть на поверхности воды приведены на рис. 8. Проведено дистанционное определение концентрации примесей в воде методом лазерной спектроскопии с калибровкой по КР
Рис. 8. Спектр КР (v0 = 17 500 см-1):
1 — от границы раздела воздух — нефтяная пленка на поверхности воды; 2 — от границы раздела воздух — чистая вода; возб = 532 нм.
2.3 Применение комбинационных лидаров для исследования атмосферы и ее загрязнений
При исследовании с помощью комбинационного лидара паров воды ( = 347,1 нм) спектральным прибором является двойной монохроматор. найдено распределение паров воды в атмосфере на высоте до 2 км. Тенденция к возбуждению спектров коротковолновым излучением получила дальнейшее развитие. Так, с помощью лидара на второй гармоники излучения рубинового лазера с пространственным разрешением около 100 м измерено распределение водяных паров в атмосфере.
Использование для возбуждения четвертой гармоники лазера на неодимовом стекле или на кристалле иттрий-алюминиевого гранита ( = 266,0 нм) позволяет применить резонансные методики, так как излучение с такой не очень сильно поглощается низкими слоями атмосферы и попадает в спектральную область с ничтожно малой светимостью неба. Поэтому становятся доступными круглосуточные наблюдения, что чрезвычайно важно на практике. Создана соответствующая аппаратура, пороговая концентрационная чувствительность которой на высоте 2, 3 км равна 0,005 и 0,05 млн-1 соответственно, что определяется почти резонансными условиями возбуждения спектров. Наибольшего успеха удалось достичь в индикации O2 и SO2. Однако лидар оказался гораздо менее чувствительным по отношению к другим компонентам (таким, как пары воды и углекислота).
Исследовала проблема качественной и количественной диагностики загрязнений в атмосфере. Ряд экспериментов проведен и условиях, моделирующих реальные, что позволило осуществить практический вариант лидара, предназначенного для индикации продуктов сгорания топлива. Установка была оснащена рубиновым лазером с удвоителем частоты.
В дальнейшем источниками возбуждения служили излучение с азотного лазера и второй гармоники лазера на кристалле Nd3+YAG ( = 532,0 нм). Последняя система положена в основу промышленного образца прибора. Разработанные лидары были использованы для проведения физических исследований атмосферы и, в частности, для измерения концентрации посторонних веществ. Удалось отождествить в дыму и выхлопных газах автомобиля повышенное содержание СО2, и СО (0,11 и 0,43 %), а также SО2, С2Н4, Н2СО, NО, Н2, С3Н4, СН4, паров воды (рис. 9).
Рис. 9. Спектры СКР чистой атмосферы (а), дыма, образующегося при сгорании масла (б), и выхлопных газов автомобиля (в): возб = 337 нм.
Исследована проблема дистанционного определения загрязняющих веществ в атмосфере. Изучено около 200 веществ в жидком и газообразном состояниях с целью получения отправных данных, необходимых для конструирования полевого экземпляра аппаратуры. Объекты исследования выносились на расстояние примерно от 100 м до 1 км. Свет собирался небольшим конденсором. В некоторых случаях вещества распылялись в атмосфере в виде облака. Весь комплекс предварительных исследований положен в основу разработки варианта лидара для проведения дистанционных измерений в дневное время в чистой и загрязненной атмосфере в условиях хорошей видимости и в тумане. Измерялось содержание в атмосфере Н2О, СО2, SO2 и паров углеводородов на высоте до 800 метров (разрешение 10 м), время накопления 50 с. Для первых трех компонент концентрационная чувствительность равна 300 млн-1, а для паров углеводородов — 17 млн-1. Комбинационный лидар по чувствительности превосходит приборы такого назначения более чем на 2 порядка.
На рис. 10, а показан спектр обратного рассеяния для нефтяных дымов, измеренный с помощью комбинационного лазерного локатора. Нефтяное топливо сжигалось в камере. Дым, проходящий через вытяжную трубу в атмосферу, был настолько разрежен, что едва различался глазом. Интенсивные пики наблюдались на длинах волн, соответствующих молекулам SO2, С2Н2, Н2СО, NО, СО, Н2, СН4, а также молекулам основных компонент атмосферы СО2, О2, N2. Последние три молекулы представляют удобные опорные точки для методов комбинационной лазерной локации. Довольно широкая спектральная полоса с центром на длине волны 38000 нм может быть отнесена к молекуле жидкой воды, что соответствует лабораторным измерениям. На рис.10, б представлен комбинационный спектр выхлопных автомобильных газов. Выхлопные газы отводились через трубу в атмосферу. Кроме полос, соответствующих обычным, в газах присутствуют молекулы С2Н4, NO, CO. Поскольку спектры Н2СО, H2S и СН4 перекрываются, наличие их в газах нельзя считать доказанным. В указанных экспериментах время интегрирования составляет 5 с. Время наблюдений, необходимое для того, чтобы выполнить полное сканирование в интервале длины волны 500 нм, равно 40 мин. Для измерений центрального пика комбинационной полосы любой молекулы достаточно 10 с.
Рис. 10. Экспериментально найденный спектр КР нефтяного дыма (а) и выхлопных газов автомобиля (б)
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
