eng
Выпуск #1/2010
В.Привалов, В.Шеманин.
Лазерное зондирование молекул водорода в атмосфере
Лазерное зондирование молекул водорода в атмосфере
Просмотры: 2447
Технология ЛИДАР использует явления отражения света и его рассеяния в прозрачных и полупрозрачных средах. Дистанционное измерение в атмосфере концентрации горючих веществ, таких как молекулярный водород и его изотопные аналоги, является сложной задачей. Поэтому численное решение лидарного уравнения представляет интерес для разработчиков лидаров.
Дистанционные измерения концентрации молекулярного водорода в технологических газах различного состава вплоть до чистого водорода представляют интерес в связи с широким распространением Н2 как теплоносителя и горючего вещества [1–3]. Измерения концентрации молекулярного водорода в атмосфере представляют сложную задачу, так как эта концентрация при нормальных условиях у земной поверхности имеет величину порядка 5∙10-9 объемных долей [2] по сравнению с 0,78084 объемных долей для молекулярного азота.
Анализ ранее выполненных работ [2, 4] по измеpению концентpации молекулярного водоpода в газовой смеси показывает, что наиболее целесообразно пpименять лидар комбинационного pассеяния света для дистанционного измерения концентрации молекулярного водорода. Такой лидар комбинационного pассеяния света описывается следующими параметрами: объект находится на расстоянии R от него, а условия прохождения излучения до объекта и обратно задаются прозрачностью интервала трассы зондирования T(λ, R). При этом свойства молекул исследуемого объекта (рассеивающей среды) описываются дифференциальным сечением рассеяния молекулы (dσ/dΩ) в направлении назад.
Следуя этому, в первую очередь для зондирования молекул водорода и его изотопных аналогов в атмосфере по комбинационному рассеянию необходимо знание дифференциальных сечений комбинационного pассеяния света исследуемыми молекулами. Поэтому рассмотрим лидар комбинационного pассеяния света, на котором были исследованы зависимости мощности комбинационного pассеяния света молекулами водорода в направлении назад от расстояния зондирования и измерено значение дифференциального сечения комбинационного pассеяния света молекулами Н2. В спектре комбинационного pассеяния света молекулой Н2 наблюдается мощная полоса собственных колебаний с волновым числом ν0 =4161 см-1 [1, 2]. Длина волны полосы комбинационного pассеяния исследуемой молекулы водорода при зондировании на длине волны λ=532 нм излучения второй гармоники YAG-Nd лазера c таким волновым числом равна 683,2 нм. Это было учтено в лабораторном лидаре комбинационного pассеяния света, оптическая схема которого приведена на рис.1.
Импульс YAG-Nd лазера длительностью 10 нс, c энергией 10 мДж, λ=532 нм направляли в кювету, заполненную чистым водородом с концентрацией 2,7⋅1019см-3, под углом Брюстера. Телескоп типа Ньютона со сферическим зеркалом диаметром 0,4 м собирал рассеянное назад молекулами Н2 излучение комбинационного pассеяния с расстояния до 2 м через интерференционный светофильтр и передавал его на фотокатод ФЭУ-79. Максимум пропускания светофильтра полушириной 2 нм совпадал с длиной волны комбинационного рассеяния. Импульс напряжения с ФЭУ шел на вход специальной микропроцессорной измерительной системы на линии с ПК и одновременно его регистрировали на запоминающем осциллографе С8-17 [5].
На этапе подготовки провели калибровочные эксперименты для измерения коэффициента передачи фотоприемного модуля на ФЭУ-79 [5] (коэффициента передачи оптоэлектроного тракта Кф = 0,4±0,1 мкДж/В). Это позволило пересчитывать амплитуду сигнала лидара комбинационного pассеяния в энергию импульса комбинационного pассеяния. Характерная зависимость энергии импульса комбинационного pассеяния света молекулами водорода от расстояния зондирования R (рис.2) получена после многократных измерений.
В нашей экспериментальной ситуации мощность регистрируемого излучения комбинационного pассеяния в предположении однократного рассеяния в направлении назад и отсутствии ослабления излучения на воздушной трассе длиной до 2 м можно описать лидарным уравнением для комбинационного рассеяния света типа [1, 2]:
P(λ,R)= PLK1∆RA0(dσ/dΩ) Na/R2, (1)
где P(λ,R) – мощность сигнала комбинационного pассеяния на фотоприемнике на длине волны λ, приходящего с расстояния R; PL – мощность лазера и λL– его длина волны; K1 – постоянная лидара; ∆R =cτL/2 – шаг по расстоянию; A0 – площадь приемного телескопа; (dσ/dΩ) – дифференциальное сечение комбинационного pассеяния света исследуемой молекулой на длине волны лазера; Na – концентрация молекул.
Далее, для рассматриваемого случая лидара комбинационного pассеяния света в постоянной лидара K1 можно выделить сомножитель, ζp(λ), зависящий от спектральной чувствительности фотокатода фотоприемника в виде K1= K2ζp(λ), где K2 – новая постоянная лидара, (K2=0,495 для λ=532 нм [5]). Значения относительной спектральной чувствительности фотокатода ФЭУ на длине волны 683,2 нм в максимуме полосы комбинационного pассеяния молекулярного водорода ζp(λ)=0,25 [6].
Решение лидарного уравнения для комбинационного pассеяния (1) с параметрами лабораторного лидара позволило получить значение дифференциального сечения комбинационного pассеяния (dσ/dΩ) молекулами Н2 при возбуждении лазерным излучением с λ =532 нм. Это значение равно (4,3± 0,9)∙10-30 см2/ср, что хорошо согласуется с данными [2] для λ=337 нм, где (dσ/dΩ) = 8,7∙10-30 см2/ср. Теперь это значение дифференциального сечения комбинационного pассеяния (dσ/dΩ) для исследуемой молекулы Н2 на длине волны лазерного излучения с λ=532 нм можно использовать для измерения концентрации молекулярного водорода Na в газовых потоках или атмосфере на заданных расстояниях от излучателя.
Особый интерес представляет теоретическая оценка потенциальных возможностей лидара комбинационного рассеяния света. Это важно для решения задач обнаружения в приземном слое атмосферы молекулярного водорода с концентрацией на уровне порядка 1015 см-3 (что эквивалентно отношению водорода в смеси, по объему примерно равного 3∙10-6) и выше. Ранее было показано [7, 8], что при детектировании сигналов комбинационного рассеяния света молекулами с такими уровнями концентраций на больших расстояниях от регистрирующей системы лидара наибольший эффект дают фотоприемные устройства, работающие в режиме счета фотонов.
Поэтому было промоделировано комбинационное рассеяние света молекулами водорода в атмосфере на расстояниях зондирования до 6 км в направлении 180о в режиме счета фотонов [9]. Ранее такое компьютерное моделирование на основе решения лидарного уравнения уже использовалось [8]. Учитывая, что ЕL – энергия импульса лазерного излучения, получаем число фотонов в импульсе лазерного излучения N0 через известную энергию одного фотона N0=ЕLλ/hc (h – постоянная Планка; с – скорость света в вакууме; λ0 – длина волны лазерного излучения). Тогда число регистрируемых на фотоприемнике в течение времени t на длине волны λ фотонов N(λ,R), приходящих с расстояния R согласно уравнению (2):
N(λ,R)=N0K1∆RA0 T0(λ0,R), T(λ,R) Na (dσ/dΩ) ζ(λ)ft/R2 , (2)
где T0(λ0,R), T(λ,R) – пропускание атмосферы соответственно на длине волны лазерного излучения и сигнала комбинационного рассеяния света, f – частота повторения лазерных импульсов.
Для расчетов выбраны длины волн излучения второй и третьей гармоник YAG-Nd лазера λ2=532 нм, λ3=355 нм с частотой повторения лазерных импульсов f=100 Гц длительностью τ=10 нс с энергией импульса лазерного излучения ЕL=20 мДж и эффективной площадью приемного телескопа лидара 0,12 м2. В уравнении (2) для λ=532 нм K1=0,495. Значения спектральной чувствительности фотокатодов ФЭУ ζ(λ) для λ полос комбинационного рассеяния света исследуемыми молекулами, пропускания атмосферы рассчитаны по методике, описанной в [6]. Принята концентрация молекул водорода порядка Na=1016 см-3. Диапазон расстояний зондирования 0,1 – 6,0 км. При моделировании учитывалась вероятность регистрации 1 фотона. Результаты численных расчетов представлены на рис. 3 и 4.
Видно, что наименьшее время измерения для концентрации молекул водорода Na=1016 см-3 получается на λ=355 нм. При зондировании с расстояния R=1 км на этой длине волны время измерения составило t=12,9 с, а для λ=532 нм оно возросло до t=80,8 с. Для снижения времени измерения необходимо увеличить частоту следования импульсов лазерного излучения f до 1 МГц. Однако при этом в промышленных лазерах уменьшится энергия лазерного импульса до 1 мДж. Тогда наименьшее t=0,64 мс для той же концентрации молекул Н2 водорода Na=1016 см-3 получается для λ=355 нм при зондировании с расстояния R=1 км. Для λ=532 нм оно возросло до 40,3 мс. А уменьшение концентрации молекул водорода до Na=1013 см-3 приводит к увеличению времени измерения практически на 3 порядка. Кроме того, увеличение частоты следования лазерных импульсов f до 1 МГц, сопровождающееся уменьшением энергии импульса с 20 до 1 мДж для λ=532 нм приводит к снижению t почти на 3 порядка.
Результаты численного решения лидарного уравнения (2) для комбинационного рассеяния света молекулами водорода с концентрацией Na=1013 см-3 в режиме счета отдельных фотонов приведены на рис.4. При зондировании с расстояния 1 км на λ= 355 нм время измерения t=0,64 с, а на λ=532 нм оно возросло до 40,4 с для f =1 МГц и ЕL=1 мДж. Интервал расстояний зондирования ограничивается временем измерения, которое определялось как отношение числа импульсов, необходимого для обнаружения одного фотона при заданной концентрации молекул, к частоте следования лазерных импульсов. Как следует из уравнения (2), суммарное время измерения по всей трассе до 6 км составит 4 мкс (импульс лазерного излучения проходит туда и обратно), поэтому за время измерения t=23,1 с генерируют 5775000 импульсов. То есть, повышая частоту следования импульсов f, можно эффективно снизить время измерения.
Анализ результатов показал, что для зондирования молекул водорода на расстоянии 6 км и менее при концентрации Н2 порядка Na=1013 см-3 метод комбинационного рассеяния света позволяет зарегистрировать энергию, равную энергии 1 фотона. При этом для измерительной установки длина волны лазерного излучения λ=355 нм и максимальное время измерения t=23,1 с являются оптимальными параметрами.
ЛИТЕРАТУРА
1. Привалов В.Е., Смирнов В.Б., Шеманин В.Г. Расчет параметров лазерного дистанционного зондирования молекулярного водорода.– Препринт НИИ «Российский центр лазерной физики» С.-ПбГУ, 1998.
2. Межерис Р. Лазерное дистанционное зондирование. – М.: Мир, 1987.
3. Воронина Э.И., Привалов В.Е., Фотиади А.Э., Шеманин В.Г. Лазерные приборы дистанционного зондирования молекул загрязняющих веществ в атмосфере. Учебное пособие.– Новороссийск, НПИ, 2009.
4. Inaba H., Kobayasi T. Laser - Raman Radar. – Opto-Electronics, 1972, v.4, N2.
5. Воронина Э.И., Привалов В.Е., Шеманин В.Г. Зондирование молекул водорода на лабораторном лидаре КР. – Письма в ЖТФ, 2004, т. 30, Вып.5.
6. Справочник по лазерам./ Под ред. ПрохороваА.М. – М.: Советское радио, 1978.
7. Voronina E. I., Privalov V. E., Shemanin V. G. The Iodine Molecules in the Near-Earth Atmospheric Layer Fluorescence Lidar Sensing from Space Orbit. – Optical Memory and Neural Networks (Information Optics), 2009, v.18, No. 3.
8. Воронина Э.И., Шеманин В.Г. Зондирование молекул загрязняющих веществ в атмосфере лидаром комбинационного рассеяния в режиме счета фотонов. – Труды конференции «Лазеры. Измерения. Информация», С.-Пб, 2001.
9. Воронина Э.И., Привалов В.Е., Шеманин В.Г. Расчет параметров лазерного дистанционного зондирования молекулярного водорода. – Научное приборостроение, 1998, т.8, .№ 1–2.
Анализ ранее выполненных работ [2, 4] по измеpению концентpации молекулярного водоpода в газовой смеси показывает, что наиболее целесообразно пpименять лидар комбинационного pассеяния света для дистанционного измерения концентрации молекулярного водорода. Такой лидар комбинационного pассеяния света описывается следующими параметрами: объект находится на расстоянии R от него, а условия прохождения излучения до объекта и обратно задаются прозрачностью интервала трассы зондирования T(λ, R). При этом свойства молекул исследуемого объекта (рассеивающей среды) описываются дифференциальным сечением рассеяния молекулы (dσ/dΩ) в направлении назад.
Следуя этому, в первую очередь для зондирования молекул водорода и его изотопных аналогов в атмосфере по комбинационному рассеянию необходимо знание дифференциальных сечений комбинационного pассеяния света исследуемыми молекулами. Поэтому рассмотрим лидар комбинационного pассеяния света, на котором были исследованы зависимости мощности комбинационного pассеяния света молекулами водорода в направлении назад от расстояния зондирования и измерено значение дифференциального сечения комбинационного pассеяния света молекулами Н2. В спектре комбинационного pассеяния света молекулой Н2 наблюдается мощная полоса собственных колебаний с волновым числом ν0 =4161 см-1 [1, 2]. Длина волны полосы комбинационного pассеяния исследуемой молекулы водорода при зондировании на длине волны λ=532 нм излучения второй гармоники YAG-Nd лазера c таким волновым числом равна 683,2 нм. Это было учтено в лабораторном лидаре комбинационного pассеяния света, оптическая схема которого приведена на рис.1.
Импульс YAG-Nd лазера длительностью 10 нс, c энергией 10 мДж, λ=532 нм направляли в кювету, заполненную чистым водородом с концентрацией 2,7⋅1019см-3, под углом Брюстера. Телескоп типа Ньютона со сферическим зеркалом диаметром 0,4 м собирал рассеянное назад молекулами Н2 излучение комбинационного pассеяния с расстояния до 2 м через интерференционный светофильтр и передавал его на фотокатод ФЭУ-79. Максимум пропускания светофильтра полушириной 2 нм совпадал с длиной волны комбинационного рассеяния. Импульс напряжения с ФЭУ шел на вход специальной микропроцессорной измерительной системы на линии с ПК и одновременно его регистрировали на запоминающем осциллографе С8-17 [5].
На этапе подготовки провели калибровочные эксперименты для измерения коэффициента передачи фотоприемного модуля на ФЭУ-79 [5] (коэффициента передачи оптоэлектроного тракта Кф = 0,4±0,1 мкДж/В). Это позволило пересчитывать амплитуду сигнала лидара комбинационного pассеяния в энергию импульса комбинационного pассеяния. Характерная зависимость энергии импульса комбинационного pассеяния света молекулами водорода от расстояния зондирования R (рис.2) получена после многократных измерений.
В нашей экспериментальной ситуации мощность регистрируемого излучения комбинационного pассеяния в предположении однократного рассеяния в направлении назад и отсутствии ослабления излучения на воздушной трассе длиной до 2 м можно описать лидарным уравнением для комбинационного рассеяния света типа [1, 2]:
P(λ,R)= PLK1∆RA0(dσ/dΩ) Na/R2, (1)
где P(λ,R) – мощность сигнала комбинационного pассеяния на фотоприемнике на длине волны λ, приходящего с расстояния R; PL – мощность лазера и λL– его длина волны; K1 – постоянная лидара; ∆R =cτL/2 – шаг по расстоянию; A0 – площадь приемного телескопа; (dσ/dΩ) – дифференциальное сечение комбинационного pассеяния света исследуемой молекулой на длине волны лазера; Na – концентрация молекул.
Далее, для рассматриваемого случая лидара комбинационного pассеяния света в постоянной лидара K1 можно выделить сомножитель, ζp(λ), зависящий от спектральной чувствительности фотокатода фотоприемника в виде K1= K2ζp(λ), где K2 – новая постоянная лидара, (K2=0,495 для λ=532 нм [5]). Значения относительной спектральной чувствительности фотокатода ФЭУ на длине волны 683,2 нм в максимуме полосы комбинационного pассеяния молекулярного водорода ζp(λ)=0,25 [6].
Решение лидарного уравнения для комбинационного pассеяния (1) с параметрами лабораторного лидара позволило получить значение дифференциального сечения комбинационного pассеяния (dσ/dΩ) молекулами Н2 при возбуждении лазерным излучением с λ =532 нм. Это значение равно (4,3± 0,9)∙10-30 см2/ср, что хорошо согласуется с данными [2] для λ=337 нм, где (dσ/dΩ) = 8,7∙10-30 см2/ср. Теперь это значение дифференциального сечения комбинационного pассеяния (dσ/dΩ) для исследуемой молекулы Н2 на длине волны лазерного излучения с λ=532 нм можно использовать для измерения концентрации молекулярного водорода Na в газовых потоках или атмосфере на заданных расстояниях от излучателя.
Особый интерес представляет теоретическая оценка потенциальных возможностей лидара комбинационного рассеяния света. Это важно для решения задач обнаружения в приземном слое атмосферы молекулярного водорода с концентрацией на уровне порядка 1015 см-3 (что эквивалентно отношению водорода в смеси, по объему примерно равного 3∙10-6) и выше. Ранее было показано [7, 8], что при детектировании сигналов комбинационного рассеяния света молекулами с такими уровнями концентраций на больших расстояниях от регистрирующей системы лидара наибольший эффект дают фотоприемные устройства, работающие в режиме счета фотонов.
Поэтому было промоделировано комбинационное рассеяние света молекулами водорода в атмосфере на расстояниях зондирования до 6 км в направлении 180о в режиме счета фотонов [9]. Ранее такое компьютерное моделирование на основе решения лидарного уравнения уже использовалось [8]. Учитывая, что ЕL – энергия импульса лазерного излучения, получаем число фотонов в импульсе лазерного излучения N0 через известную энергию одного фотона N0=ЕLλ/hc (h – постоянная Планка; с – скорость света в вакууме; λ0 – длина волны лазерного излучения). Тогда число регистрируемых на фотоприемнике в течение времени t на длине волны λ фотонов N(λ,R), приходящих с расстояния R согласно уравнению (2):
N(λ,R)=N0K1∆RA0 T0(λ0,R), T(λ,R) Na (dσ/dΩ) ζ(λ)ft/R2 , (2)
где T0(λ0,R), T(λ,R) – пропускание атмосферы соответственно на длине волны лазерного излучения и сигнала комбинационного рассеяния света, f – частота повторения лазерных импульсов.
Для расчетов выбраны длины волн излучения второй и третьей гармоник YAG-Nd лазера λ2=532 нм, λ3=355 нм с частотой повторения лазерных импульсов f=100 Гц длительностью τ=10 нс с энергией импульса лазерного излучения ЕL=20 мДж и эффективной площадью приемного телескопа лидара 0,12 м2. В уравнении (2) для λ=532 нм K1=0,495. Значения спектральной чувствительности фотокатодов ФЭУ ζ(λ) для λ полос комбинационного рассеяния света исследуемыми молекулами, пропускания атмосферы рассчитаны по методике, описанной в [6]. Принята концентрация молекул водорода порядка Na=1016 см-3. Диапазон расстояний зондирования 0,1 – 6,0 км. При моделировании учитывалась вероятность регистрации 1 фотона. Результаты численных расчетов представлены на рис. 3 и 4.
Видно, что наименьшее время измерения для концентрации молекул водорода Na=1016 см-3 получается на λ=355 нм. При зондировании с расстояния R=1 км на этой длине волны время измерения составило t=12,9 с, а для λ=532 нм оно возросло до t=80,8 с. Для снижения времени измерения необходимо увеличить частоту следования импульсов лазерного излучения f до 1 МГц. Однако при этом в промышленных лазерах уменьшится энергия лазерного импульса до 1 мДж. Тогда наименьшее t=0,64 мс для той же концентрации молекул Н2 водорода Na=1016 см-3 получается для λ=355 нм при зондировании с расстояния R=1 км. Для λ=532 нм оно возросло до 40,3 мс. А уменьшение концентрации молекул водорода до Na=1013 см-3 приводит к увеличению времени измерения практически на 3 порядка. Кроме того, увеличение частоты следования лазерных импульсов f до 1 МГц, сопровождающееся уменьшением энергии импульса с 20 до 1 мДж для λ=532 нм приводит к снижению t почти на 3 порядка.
Результаты численного решения лидарного уравнения (2) для комбинационного рассеяния света молекулами водорода с концентрацией Na=1013 см-3 в режиме счета отдельных фотонов приведены на рис.4. При зондировании с расстояния 1 км на λ= 355 нм время измерения t=0,64 с, а на λ=532 нм оно возросло до 40,4 с для f =1 МГц и ЕL=1 мДж. Интервал расстояний зондирования ограничивается временем измерения, которое определялось как отношение числа импульсов, необходимого для обнаружения одного фотона при заданной концентрации молекул, к частоте следования лазерных импульсов. Как следует из уравнения (2), суммарное время измерения по всей трассе до 6 км составит 4 мкс (импульс лазерного излучения проходит туда и обратно), поэтому за время измерения t=23,1 с генерируют 5775000 импульсов. То есть, повышая частоту следования импульсов f, можно эффективно снизить время измерения.
Анализ результатов показал, что для зондирования молекул водорода на расстоянии 6 км и менее при концентрации Н2 порядка Na=1013 см-3 метод комбинационного рассеяния света позволяет зарегистрировать энергию, равную энергии 1 фотона. При этом для измерительной установки длина волны лазерного излучения λ=355 нм и максимальное время измерения t=23,1 с являются оптимальными параметрами.
ЛИТЕРАТУРА
1. Привалов В.Е., Смирнов В.Б., Шеманин В.Г. Расчет параметров лазерного дистанционного зондирования молекулярного водорода.– Препринт НИИ «Российский центр лазерной физики» С.-ПбГУ, 1998.
2. Межерис Р. Лазерное дистанционное зондирование. – М.: Мир, 1987.
3. Воронина Э.И., Привалов В.Е., Фотиади А.Э., Шеманин В.Г. Лазерные приборы дистанционного зондирования молекул загрязняющих веществ в атмосфере. Учебное пособие.– Новороссийск, НПИ, 2009.
4. Inaba H., Kobayasi T. Laser - Raman Radar. – Opto-Electronics, 1972, v.4, N2.
5. Воронина Э.И., Привалов В.Е., Шеманин В.Г. Зондирование молекул водорода на лабораторном лидаре КР. – Письма в ЖТФ, 2004, т. 30, Вып.5.
6. Справочник по лазерам./ Под ред. ПрохороваА.М. – М.: Советское радио, 1978.
7. Voronina E. I., Privalov V. E., Shemanin V. G. The Iodine Molecules in the Near-Earth Atmospheric Layer Fluorescence Lidar Sensing from Space Orbit. – Optical Memory and Neural Networks (Information Optics), 2009, v.18, No. 3.
8. Воронина Э.И., Шеманин В.Г. Зондирование молекул загрязняющих веществ в атмосфере лидаром комбинационного рассеяния в режиме счета фотонов. – Труды конференции «Лазеры. Измерения. Информация», С.-Пб, 2001.
9. Воронина Э.И., Привалов В.Е., Шеманин В.Г. Расчет параметров лазерного дистанционного зондирования молекулярного водорода. – Научное приборостроение, 1998, т.8, .№ 1–2.
Отзывы читателей
