Для предприятий, чье производство связано с образованием токсичных высокотемпературных фторсодержащих газов, контроль содержания HF в воздухе всегда актуален. Лидар способен на дистанциях до 10 км обнаружить в воздушном бассейне атмосферы молекулы HF. Для выбора оптимального варианта лидарной системы для различных реальных условий проведена оценки ее потенциальных возможностей.

sitemap
Наш сайт использует cookies. Продолжая просмотр, вы даёте согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь с нашей Политикой Конфиденциальности
Согласен
Поиск:

Вход
Архив журнала
Журналы
Медиаданные
Редакционная политика
Реклама
Авторам
Контакты
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
© 2001-2025
РИЦ Техносфера
Все права защищены
Тел. +7 (495) 234-0110
Оферта

Яндекс.Метрика
R&W
 
 
Вход:

Ваш e-mail:
Пароль:
 
Регистрация
Забыли пароль?
Книги по фотонике
Урик Винсент Дж.-мл., МакКинни Джейсон Д., Вилльямс Кейт Дж.
Другие серии книг:
Мир фотоники
Библиотека Института стратегий развития
Мир квантовых технологий
Мир математики
Мир физики и техники
Мир биологии и медицины
Мир химии
Мир наук о Земле
Мир материалов и технологий
Мир электроники
Мир программирования
Мир связи
Мир строительства
Мир цифровой обработки
Мир экономики
Мир дизайна
Мир увлечений
Мир робототехники и мехатроники
Для кофейников
Мир радиоэлектроники
Библиотечка «КВАНТ»
Умный дом
Мировые бренды
Вне серий
Библиотека климатехника
Мир транспорта
Мир станкостроения
Мир метрологии
Мир энергетики
Книги, изданные при поддержке РФФИ
Выпуск #4/2011
В.Привалов, В.Шеманин
Лидарный мониторинг фтороводорода в атмосфере
Просмотры: 2951
Для предприятий, чье производство связано с образованием токсичных высокотемпературных фторсодержащих газов, контроль содержания HF в воздухе всегда актуален. Лидар способен на дистанциях до 10 км обнаружить в воздушном бассейне атмосферы молекулы HF. Для выбора оптимального варианта лидарной системы для различных реальных условий проведена оценки ее потенциальных возможностей.
Для дистанционного зондирования атмосферного воздуха и определения в нем содержания молекул HF используют два типа приборов: лидары комбинационного рассеяния света и лидары дифференциального поглощения и рассеяния излучения ИК-диапазона. Волновое число, соответствующее полосе валентного колебания молекулы HF в спектре комбинационного рассеяния света, равно 3959 см-1 [1]. Для зондирования молекул HF методом дифференциального поглощения и рассеяния можно выбрать длину волны максимума ИК-полосы поглощения исследуемых молекул HF (l=2,3958 мкм) и длину волны чисто вращательного перехода в этой молекуле R(26) (λ=10,4578 мкм) [2]. Для этих трех вариантов и была сделана оценка потенциальных возможностей лидаров для зондирования молекул HF в воздушном бассейне при различных экспериментальных условиях.
Оптическая схема лидарной системы комбинационного рассеяния света была уже описана [1]. Для выбора оптимального варианта рабочих параметров установки зондирования комбинационного рассеяния света было выполнено численное решение лидарного уравнения (1) типа, рассмотренного в работах [3, 4]:

(1)

В выражении (1) E(λ,R) – мощность сигнала комбинационного pассеяния, поступающая на фотоприемник на длине волны λ с расстояния R; EL – мощность лазера и λL– длина волны его излучения; K1 – постоянная лидара; DR = с tL/2 – шаг по расстоянию; с – скорость света, а tL – время одного измерения, причем его минимальное значение определяется длительностью лазерного импульса; A0 – площадь приемного телескопа; T (lL , R) и T (l , R ) – пропускание атмосферы на длинах волн лазерного излучения lL и сигнала комбинационного pассеяния l; (ds/dW) – дифференциальное сечение комбинационного pассеяния исследуемой молекулы на длине волны лазера и Na – концентрация молекул.
Для расчетов мощности излучения комбинационного рассеяния света в направлении назад молекулами HF были выбраны четвертая, третья и вторая гармоники YAG:Nd-лазера с длинами волн лазерного излучения: 266, 355 и 532 нм. Значения пропускания атмосферы на длинах волн лазеров и комбинационного рассеяния света рассчитывались по методике, описанной в [4]. Значения коэффициентов ослабления в атмосфере, относительной спектральной чувствительности ФЭУ, рассчитанные для этих длин волн лазеров и полос комбинационного рассеяния света исследуемыми молекулами HF [5], сведены в табл. 1. В связи с тем, что экспериментальные данные о дифференциальном сечении комбинационного рассеяния света молекулой HF отсутствуют, эти величины были оценены по значениям интенсивностей комбинационного рассеяния света молекулами фтороуглеродов [6] и с учетом зависимости ds=f(1/λL4) приведены в последнем столбце таблицы. Остальные параметры задачи были, как и ранее в [4], следующими: энергия импульса лазерного излучения EL = 10 мДж; шаг по расстоянию DR = 7,5 м для времени измерения tL = 50 нс; постоянная лидара K2 = 0,495 на длине волны 532 нм; площадь приемного телескопа A0 = 0,12 м2.
Использование в уравнении (1) этих значений параметров после выполнения численных расчетов для молекулы HF позволило обнаружить зависимость энергии импульса комбинационного рассеяния света в направлении назад от расстояния зондирования R. Эти результаты представлены на рис.1 для концентрации молекул фторводорода Na = 1016 см-3 для выбранных длин волн YAG:Nd-лазера и принятого диапазона расстояний R = 10–500 м.
Для оценки мощности солнечного фона используем уравнение, приведенное в [1], которое для рассматриваемого случая имеет вид:



(2)



где W(R) – телесный угол поля зрения приемного телескопа, причем W(R) = А0 / R2; а А0 – площадь приемного телескопа, Dλ – спектральная ширина приемного тракта. По значениям спектральной яркости фона Sb(λ), заимствованным из работы [3], были рассчитаны значения фоновой энергии на фотоприемнике Eb(λ, R) для выбранных длин волн и приведены на рис.1 в виде прямых линий, параллельных оси абсцисс.
Эти результаты показывают, что возможности лидара комбинационного рассеяния света в режиме однократного зондирования молекул HF с концентрацией порядка Na=1016 см-3 на соответствующих длинах волн в дневное время суток ограничены расстояниями: на длине волны l = 532 нм – расстоянием 7 м; на l = 355 нм – 289 м; на l = 266 нм – 611 м.
Значения дифференциальных сечений колебательных полос комбинационного рассеяния света газовыми молекулами имеют величины порядка 10-30 см2 и поэтому требуют довольно больших концентраций молекул для получения достаточного отношения сигнала к шуму. Поэтому нужны более эффективные методы зондирования. Из всех известных спектроскопических эффектов наибольшим сечением взаимодействия обладает резонансное поглощение в видимой и ИК-области спектра [7]. Этим и определяются возможности лидара дифференциального поглощения и рассеяния для дистанционных измерений на больших расстояниях зондирования малых концентраций молекул.
В отличие от лидара комбинационного рассеяния света, в лидаре дифференциального поглощения и рассеяния используются два лазерных луча с различными длинами волн, причем одна длина волны должна попадать в максимум полосы поглощения молекулы HF, вторая – вне этой полосы, и ослабление этих лучей определяется по сигналам упругого рассеяния в направлении назад [3].
Уравнение лазерного зондирования для упругого молекулярного рассеяния в направлении назад запишем, согласно [1, 3, 7], в виде

P ( l, R ) = PL · (lL) · K1 ⋅
(3)
⋅ A0 · T2 · ( lL, R ) · r/R2

где P(l,R) – мощность сигнала обратного рассеяния на фотоприемнике на длине волны lL, приходящая с расстояния R; PL (lL) – мощность лазера и его длина волны; K1 – постоянная лидара; A0 – площадь приемного телескопа; T(lL, R) – пропускание атмосферы на длине волны лазерного излучения и сигнала обратного рассеяния; r – коэффициент отражения топографической мишени или суммарный коэффициент упругого рассеяния Ми и молекулярного рассеяния Рэлея. Информация о концентрации фтороводорода содержится в сомножителе T2 ( lL, R ), который в общем случае может быть представлен в виде


(4)



где коэффициент ослабления в атмосфере k ( lL, R ) определяется соотношением вида [3]

k ( lL, R ) = 
(5)
= kA ( lL, R ) + Na(R) · s0 ( lL )

Здесь первое слагаемое является коэффициентом ослабления атмосферы на длине волны лазерного излучения за вычетом исследуемых молекул HF, а второе – произведение их концентрации на сечение резонансного поглощения этих молекул.
Далее, следуя идее метода дифференциального поглощения и рассеяния [7], возьмем два лидарных уравнения типа (3) для двух длин волн лазерного излучения l0 и l1, причем вторая длина волны находится вне полосы поглощения HF, и разделим одно на другое. В результате деления получим уравнение для самого общего случая дифференциального поглощения и рассеяния в предположении о различии всех сомножителей, зависящих от длины волны, как и в [1, 7]:



(6)







Было выполнено численное решение уравнения (6) с целью выбора параметров лидара дифференциального поглощения и рассеяния для зондирования молекулярного йода в атмосфере. Информация о распределении концентрации исследуемых молекул в атмосфере рассчитывается по оптической плотности, регистрируемой на этих двух длинах волн в достаточно узком спектральном интервале [5, 7].
Определим теперь значения величин, входящих в уравнение (5) в нашем случае. Для зондирования молекул HF методом дифференциального поглощения и рассеяния были выбраны длины волн: максимум ИК-полосы поглощения исследуемых молекул HF – 2,3958 мкм и длина волны чисто вращательного перехода в этой молекуле R(26) l=10,4578 мкм [2]. Длина волны лазерного излучения вне этих полос для первого случая была взята равной 2,1 мкм, а для второго – 10,6 мкм, чтобы попасть в область прозрачности атмосферы [2]. Расчеты выполнены последовательно для пар 2,4 и 2,1 мкм и 10,46 и 10,6 мкм. Для экспериментальной реализации такого лидара можно использовать параметрический генератор на кристалле ниобата лития LiNbO3 с накачкой второй гармоникой YAG:Nd-лазера [1], YAG:Cr:Er, импульсный твердотельный лазер на активных элементах YAG:Cr:Ho и СО2-лазеры [2, 8].
В уравнении (5) все остальные параметры имеют следующие значения: постоянная лидара K1 = 0,4 на длинах волн 2,4 и 2,1 мкм и K1 = 0,35 на длине волны 10,6 мкм [4], значения спектральной чувствительности лавинного фотодиода ЛФД-2 на выбранных длинах волн взято из [2], пиковая мощность лазерного импульса PL = 10 кВт; диапазоны расстояний зондирования R = 0,1 – 10 км; концентрации исследуемых молекул 105–1015 см-3; значения коэффициентов ослабления kA ( lL, R ) взяты из [2] и для интересующих нас длин волн 2,1 мкм kA =0,09 км-1, для l=2,4 мкм kA = 0,085 км-1, для 10,6 мкм kA = 0,045 км-1; оценка сечения резонансного поглощения молекул HF проведена по данным работы [1]: s0=1,923·10-18 см2 для 2,4 мкм и s0=10-18 см2 для длины волны 10,6 мкм; коэффициент отражения (суммарный коэффициент упругого рассеяния в атмосфере) определен ранее [4] и равен 10-7.
На основе этих данных были выполнены численные расчеты оптической плотности дифференциального поглощения и рассеяния в уравнении (5) и найдены их зависимости от концентраций молекул HF в диапазоне 105–1015 см-3 и расстояний зондирования R=100–10000 м на основе. Результаты расчетов для случая l = 2,4 мкм приведены на рис.2, а для l = 10,6 мкм – на рис.3.
Детальный анализ графических зависимостей позволил определить чувствительность лидара по концентрации, которая оказалась на l = 2,4 мкм равна 4·10-13 см3, а на l = 10,6 мкм – 10-12 см3. А чувствительность лидара по расстоянию на уровне концентрации 1010 см-3 соответственно – (dD/dR) = 3,72·10-3 км-1 и 2·10-3 км-1. Из графиков рис.2 и 3 следует, что молекулы HF с концентрациями в диапазоне 108–1014 см-3 можно зондировать в обоих случаях во всем диапазоне расстояний, а с меньшей концентрацией 1015 см-3 – только на расстояниях до 100 м.
Таким образом, полученные результаты подтвердили эффективность зондирования на расстояниях до 1 км атмосферного воздуха с HF-молекулами реальных концентраций лидарами комбинационного рассеяния света и лидарами дифференциального поглощения и рассеяния. Для зондирования малых концентраций HF-молекул или для определения фторводорода в воздухе, находящемся на больших расстояниях от наблюдателя, более эффективным будет метод дифференциального поглощения и рассеяния. Причем выбор того или иного метода для измерения концентраций молекул HF в атмосфере зависит от условий реальной экспериментальной задачи.
ЛИТЕРАТУРА
Воронина Э., Привалов В., Фотиади А., Шеманин В. Лазерные приборы дистанционногозондирования молекул загрязняющих веществ в атмосфере. – Новороссийск: НПИ, 2009.
Справочник по лазерам./Под ред. Прохорова А.М. Т. I и II. – М.: Советское радио, 1978.
Межерис Р. Лазерное дистанционное зондирование. – М.: Мир, 1987.
Воронина Э., Привалов В., Шеманин В. Лазерное зондирование молекул HF в атмосфере: вопросы численного моделирования. – Оптика атмосферы и океана, 2007, т. 20, №8.
Privalov V., Voronina E. and Shemanin V. HF Molecules Laser Sensing in Gaseous Flows. – Optical Memory and Neural Networks (Information Optics), 2008, v. 17, № 1.
Свердлов Л., Ковнер М., Крайнов Е. Колебательные спектры многоатомных молекул. – М.: Наука, 1970.
Зуев В., Катаев М., Макогон М., Мицель А. Лидарный метод дифференциального поглощения. Cовременное состояние исследований. – Оптика атмосферы и океана, 1995, т. 8, № 8.
Weber H., Bass M., Varitimos T., Bua D. Laser action from Ho3+, Er3+ and Tm3+ in YAlO3. – IEEE J. Quantum Electron.,1973. v. QE-9, №11.
 
 Отзывы читателей
Разработка: студия Green Art