Для наиболее эффективного контроля загрязнения воздушного бассейна санитарной зоны и производственных помещений, необходимо использовать физические методы, а именно дистанционные методы контроля с применением лазеров в ИК – области спектра.
На основе полученных экспериментальных и литературных данных по определению концентрации фосфора в ЗВ, что лазерный метод имеет следующие достоинства: высокая экспрессность, большая чувствительность и большие возможности для непрерывного автоматического контроля, дистанционность, исключения отбора проб.
Преимущество метода с применением лидара на комбинационном рассеянии заключается в том, что при таком методе полностью исключается неоднозначнность в интерпретации составляющих на частоте лазера, возникших в результате рассеяния Релея. Более того, в отличие от методов, основанных на резонансном рассеянии и поглощении, лидар на комбинационном рассеянии не требует специального выбора частоты излучения лазера. Таким образом, достаточно работать на одной фиксированной частоте излучения лазера для одновременного получения спектров комбинационного рассеяния всех загрязняющих веществ в пределах зондируемого района [1].
На рис. 1 показана разработанная нами блок-схема макета лазерной системы, использующей метод КРС. В состав такой системы входят следующие элементы: лазерный передатчик, передающий телескоп, приемный телескоп, анализатор спектра, фотоприемник, процессор обработки данных, дисплей, запоминающее устройство.
Рис. 1. Блок – схема макета на методе КРС
Излучение лазера через коллимирующий телескоп направляется в атмосферу, где оно рассеивается смесью аэрозольных частиц и газовых компонентов, находящихся в воздухе. Спектр рассеянного назад света состоит из компонентов релеевского рассеяния с частотой v0, совпадающей с частотой лазерного излучения, а также из линии комбинационного рассеяния v1, v2,… vn.
Спектральные компоненты выделяются и регистрируются одновременно с помощью анализатора спектра вместе с оптическими фильтрами и блоком чувствительных фотодетекторов. Затем с помощью процессора многоканальная информация воспроизводится в реальном масштабе времени.
Дифференциальное сечение комбинационного рассеяния для основного типа колебаний молекулы имеет следующий вид:
(1.1)
где σRam – сечение КР;
– частота падающего излучения;
– частота излучения КР;
– поляризуемость для КР.
Указанные частоты различаются на величину, равную частоте колебаний 
, т.е.: 
.
Интенсивность КР (IRam) спустя время t после прохождения лазерного импульса определяется следующим выражением:
(1.2)
где W1 – полная энергия лазерного моноимпульса;
R – расстояние до загрязнения объема, от которого сигнал КР доходит до приемника в момент t;
N0 (R) – концентрация загрязняющих компонентов;
Т1 и Т2 – коэффициенты пропускания атмосферы на частотах соответственно. Регистрируемая интенсивность КР обусловлена рассеянием в объеме, глубина которого соответствует половине длины лазерного импульса λ0/2.
Для простоты предлагается, что (R0), H0 и R2 на протяжении этой длины постоянны.
При использовании метода КР селективное возбуждение невозможно, и поэтому в рассеянном сигнале присутствуют комбинационные частоты всех загрязняющих компонентов. Поскольку полная ширина линии КР обычно превышает 100 см–1, возникает проблема интерференции, особенно для О2 и N2.
Одним из главных преимуществ метода КР является хорошее разрешение по глубине.
Мощность сигнала Pr, приходящего на приемник с расстояния R, определяется следующим уравнением:
(1.3)
где P0 – мощность, излучаемая лазером;
l – половина длительности лазерного импульса;
k – суммарная эффективность передающей и приемной оптических систем;
TL и Tr – коэффициенты пропускания атмосферной трассы на частоте лазера и сигнала комбинационного рассеяния соответственно;
Ar – эффективная площадь приемника;
Y(R) – геометрический фактор, учитывающий перекрытие передаваемого и принимаемого пучков;
N(R) – концентрация молекул;
σ(π) – дифференциальное поперечное сечение обратного комбинационного колебательно-вращательного рассеяния.
Рубиновый лазер, работающий в режиме модуляции добротности резонатора (λ = 0,6943 мкм), позволяет получить импульсы мощностью до 10 МВт и длительностью до 30 нс. Выходной пучок коллимируется линзовым телескопом диаметром 5 см., рассеянное излучение собирается сферическим или параболическим зеркалом диаметром не менее 30 см., приемный телескоп собран по схеме Ньютона. Для выделения сигналов комбинационного рассеяния в фокусе зеркала помещается одинарный или двойной монохроматор, который используется как спектроанализатор. Для подавления релеевского рассеяния применяются длинноволновые фильтры, коэффициент пропускания которых при λ = 0,6943 мкм составляет 10–8. Сигнал, выходящий из монохроматора, принимается фотоумножителем и воспроизводится на двухлучевом осциллографе, рассчитанном на работу в диапазоне до 30 МГц. Абсолютная концентрация компонента загрязненного воздуха может быть определена путем сравнения интенсивности их линий комбинационного рассеяния с линиями КР молекулярного азота и кислорода.
Таким образом, предельно обнаруживаемые концентрации могут быть уменьшены путем совершенствования параметров лидара: увеличения энергии лазерного импульса, диаметра зеркала приемного телескопа и т.д.
Спектральные измерения сигналов комбинационного рассеяния от молекул N2 и O2 атмосферы были выполнены Инабой и Кобаяси в 1970 г. [1].
На рис. 2 представлен типичный результат записи спектра РН3, H2S, СО и воздуха, полученные на хроматографе ЛХМ-72.
Рис. 2. Спектры РНз и H2S, полученные на хроматографе ЛХМ-72
На рис. 2 показан спектр комбинационного рассеяния различных частиц, присутствующих в облаке дымового шлейфа от горящего факела. Фосфорные соединения сжигались в топке, выходящий из трубы, дым был настолько слаб, что едва заметен глазом. При этом наблюдались максимумы интенсивности на длинах волн комбинационного рассеяния, соответствующих SO2, C2H4, H2CO, NO, CO, PH3, H2S, CH4, а также основным составляющим СО2, О2, N2 и Н2О [2].
Для комбинационного рассеяния наиболее важной величиной является не абсолютное значение волнового числа линий, а разность Δ
между линиями комбинационного рассеяния и линией возбуждающего света. Разность частот возбуждающего света и комбинационного рассеяния не зависит от частоты возбуждающего света, а определяется только природой рассеивающего вещества и является его индивидуальной характеристикой. Опыт показал, что комбинационный сдвиг Δ
равен частоте полос поглощения в ИК – спектре того же вещества.
Комбинационный сдвиг для молекулы фосфина можно определить по его ИК – спектру. ИК – спектр фосфина записывался на ИКС-29. В средней ИК области фосфин имеет следующие полосы поглощения: ω1 = 995 см–1, ω2 = 1125 см–1,ω3 = 234О см–1, которые и являются величиной комбинационного сдвига для молекулы РН3 [3].
В ходе работы было установлено, что фтористый водород (HF), являющийся загрязняющим компонентом воздушной среды АО «Химпром», очень агрессивно воздействует на приемную оптику макета индикатора (МИ) (снижается коэффициент пропускания приемной оптики) и дифракционные решетки двойного монохроматора (особенно на реплики, покрытые алюминием).
Узкополосные фильтры, предназначенные для выделения линий комбинационного рассеяния загрязнителей, также подвергаются воздействию HF. Все это значительно ухудшает чувствительность МИ и увеличивает фоновую засветку сигнала. Кроме того, при наличии в атмосфере дымки или тумана, дождя или снегопада наблюдается заметное снижение величины отношения сигнал/шум, обусловленное релеевским рассеянием. Поэтому для работы в таких условиях нужно переходить к тройной монохроматизации [4, 5].
Анализ некоторых загрязнителей желательно проводить в инфракрасной области, в так называемых окнах прозрачности атмосферы (например: 2-2,5 мкм для СО2, 3,5-4 мкм для H2S, HF и т.д.). Для таких целей применение ФЭУ весьма ограничено, поэтому возникла необходимость в приобретении фотовольтаического приемника на основе антимонида индия (InSb) ФПУ-31, предназначенного для работы в ИК – области. Ограниченность диапазона работы ФПУ (до 5 мкм), а также необходимость постоянного охлаждения ФПУ (до196 °С) не позволяют в полной мере использовать его в качестве фотодетектора в измерительной схеме МИ.
Диапазон работы ФПУ ограничен из-за того, что входное окошко ФПУ сделано из сапфира, который пропускает ИК – излучение длиной волны до 5 мкм. Аналогичные ФПУ, но с боллее широким диапазоном (32 канала) работы (до 15 мкм) (ФПУ 31) [3].
Нами получены результаты по определению соединения фосфора и фтора (Р4, Р2О5, HF, РН3 и др.) на макете индикатора в ИК – области спектра с применением лазеров с непрерывными и импульсными излучениями (рис. 4).
Рис. 3. Спектр комбинационного рассеяния загрязненной атмосферы
Рис. 4. Инфракрасный спектр (ИКС) фосфина и сероводорода
Таким образом, для более эффективного контроля загрязнения воздушного бассейна санитарной зоны и производственных помещений необходимо использовать физические методы, а именно, дистанционные методы контроля с применением лазеров в ИК – области спектра.
Библиографическая ссылка
Актаев Е.К., Абдула Ж., Касым А., Мустафаева А., Тайшыбеков А. ДИСТАНЦИОННЫЙ КОНТРОЛЬ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ ФИЗИЧЕСКИМ МЕТОДОМ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2017. – № 5-2. – С. 201-205;URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=11571 (дата обращения: 21.11.2024).