Кіріспе

Газдың химиялық құрамын өлшеу техникасы. Тюнерлі диодты лазерлік сіңіру спектроскопиясы (TDLAS, кейде TDLS, TLS немесе TLAS деп аталады) – бұл метан, су буы және тағы да көптеген заттар сияқты газ қоспаларындағы белгілі бір компоненттердің концентрациясын, тюнерлі диодты лазерлер мен лазерлік сіңіру спектрометриясын қолдану арқылы өлшеу әдісі. TDLAS-тың концентрацияны өлшеудің басқа әдістерінен артықшылығы – өте төмен анықтау шектеріне (ppb шамасында) қол жеткізу қабілеті. Концентрациядан басқа, қарастырылып отырған газдың температурасын, қысымын, жылдамдығын және массалық ағынын анықтау да мүмкін. TDLAS – газ фазасындағы компоненттерді сандық бағалау үшін ең көп қолданылатын лазерлік сіңіру техникасы.

Жұмыс

ТДЛАС негізгі құрылымы реттелмелі диодты лазерлік жарық көзі, таратушы (яғни сәуле пішінін қалыптастырушы) оптика, оптикалық тұрғыдан қолжетімді сіңіруші орта, қабылдаушы оптика және детектор(лар)дан тұрады. Реттелмелі диодты лазердің – VCSEL, DFB және т.б. – шығарылатын толқын ұзындығы, лазер сәулесінің жолындағы газдың сипаттамалық сіңіру сызықтары бойынша реттеледі. Бұл сіңіру нәтижесінде өлшенген сигналдың қарқындылығы төмендейді, оны фотодиод арқылы анықтауға болады, содан кейін газдың концентрациясын және басқа да қасиеттерін анықтау үшін пайдаланылады, бұл туралы кейінірек сипатталады. Диодты лазерлердің таңдалуы қолданылу саласына және реттеудің қажетті диапазонына байланысты. Типтік мысалдар: InGaAsP/InP (900 нм-ден 1,6 мкм-ге дейін), InGaAsP/InAsP (1,6 мкм-ден 2,2 мкм-ге дейін) және т.б. Бұл лазерлерді температураны реттеу арқылы немесе активті ортаға енгізілетін ток тығыздығын өзгерту арқылы реттеуге болады. Температураны өзгерту 100 см−1 дейін реттеуге мүмкіндік берсе де, жүйенің жылулық инерциясына байланысты реттеу жылдамдығы (бірнеше герц) баяу болады. Ал ток енгізуді реттеу ~10 ГГц жылдамдықпен реттеуді қамтамасыз ете алады, бірақ бұл реттеуді орындауға болатын диапазон (шамамен 1-ден 2 см−1) кішірек болады. Лазерлік сызықтың ені 10−3 см−1 немесе одан да кіші болады. Қосымша реттеу және сызық енін тарылтатын әдістерге сыртқы қуыстың дисперсиялық оптикасын пайдалану жатады.

Шектеулер мен жақсарту құралдары

Абсорбция спектрометриясының (АС) және жалпы лазерлік абсорбция спектрометриясының (ЛАС) басты кемшілігі – үлкен фондық сигналдың үстінде шағын өзгерісті өлшеу қажеттігінде. Жарық көзі немесе оптикалық жүйе тудырған кез келген шу, техниканың анықталу мүмкіндігін нашарлатады. Сондықтан тікелей сіңіру техникасының сезімталдығы көбінесе ~10−3 шамасындағы сіңірумен шектеледі, бұл бір реттік тікелей АС (DAS) үшін 10−7 – 10−8 диапазонындағы ату шуы деңгейінен әлдеқайда төмен. Бұл көптеген қолданулар үшін жеткіліксіз болғандықтан, АС көбінесе ең қарапайым жұмыс режимінде қолданылмайды. Жағдайды жақсартудың негізгі екі жолы бар: бірі – сигналдағы шуды азайту, екіншісі – сіңіруді арттыру. Алғашқысы модуляция техникасын қолдану арқылы, ал екіншісі газды жарық сәулесі үлгі арқылы бірнеше рет өтетін қуысқа орналастыру арқылы жүзеге асырылады, осылайша өзара әсерлесу ұзындығы ұлғаяды. Егер техника іздік мөлшердегі заттарды анықтау үшін қолданылса, ауысулардың жоғары сызықтық күші бар толқын ұзындықтарында, мысалы, негізгі тербеліс жолақтарын немесе электрондық ауысуларды пайдалану арқылы сигналды күшейтуге болады.

Модуляциялық әдістер

Модуляция әдістері техникалық шудың жиілігі арта тұра төмендеуін пайдаланады (сондықтан оны көбінесе 1/f шу деп атайды) және шу деңгейі төмен болғанда жоғары жиілікте сіңіру сигналын кодтап, анықтау арқылы сигнал-шу қатынасын жақсартады. Модуляцияның ең көп қолданылатын әдістері – толқын ұзындығы модуляциясы спектроскопиясы (WMS) және жиілік модуляциясы спектроскопиясы (FMS). WMS-де жарықтың толқын ұзындығы сіңіру профилі бойынша үздіксіз сканерленеді, ал сигнал модуляция жиілігінің гармоникасында анықталады. FMS-де жарық әлдеқайда жоғары жиілікте модуляцияланады, бірақ модуляция индексі төмен. Нәтижесінде, тасымалдаушы жиіліктен модуляция жиілігімен бөлінген екі бүйірлік жолақ пайда болады, бұл FM үштігі деп аталады. Модуляция жиілігіндегі сигнал – екі бүйірлік жолақтың әрқайсысымен тасымалдаушының арасындағы соқтығысу сигналының қосындысы. Бұл екі бүйірлік жолақ бір-біріне қатысты фазасынан ауытқығандықтан, абсорберлердің болмауы жағдайында екі соқтығысу сигналы өшіріледі. Дегенмен, сіңіру немесе дисперсия арқылы, немесе тасымалдаушының фазалық ығысуы кез келген бүйірлік жолақтың өзгеруі екі соқтығысу сигналы арасындағы тепе-теңдікті бұзады, демек, таза сигнал пайда болады. Теориялық тұрғыдан базалық сызықтан тәуелсіз болғанымен, екі модуляция әдісі де әдетте лазерден немесе оптикалық жүйедегі көптеген шағылыстардан (эталондық эффектілер) туындайтын қалдық амплитуда модуляциясымен (RAM) шектеледі. Егер осы шу көздері төмен деңгейде ұсталса, сезімталдық 10−5 – 10−6 диапазонына, тіпті одан да жоғары деңгейге жеткізілуі мүмкін. Жалпы алғанда, сіңіру іздері нақты газға ие көлем арқылы жарықтың тікелей таралуы арқылы жасалады. Сигналды одан әрі күшейту үшін жарық жолының ұзындығы көп өтулі жасушалармен ұзартылуы мүмкін. Алайда, WMS техникасының бір түрі бар, ол газдардың жабық кеңістіктерде (мысалы, тесіктер) қатты материалдың ішінде орналасқан кезде де сезіну үшін газдардың тар сызықты сіңіруін пайдаланады. Бұл әдіс "шашырату ортасындағы газдың сіңіру спектроскопиясы" (GASMAS) деп аталады.

Қауыстылықпен күшейтілген жұту спектрометриясы (CEAS)

TDLAS техникасының анықталуын жақсартудың екінші жолы – өзара әрекеттесу ұзақтығын ұзарту. Бұл, түрлерді жарық көп рет алға-артқа қайтарылатын қуысқа орналастыру арқылы қол жеткізіледі, соның арқасында өзара әрекеттесу ұзындығы айтарлықтай ұлғаюы мүмкін. Бұл, қуыспен күшейтілген АС (CEAS) деп аталатын техникалар тобына әкеліп соқты. Қуысты лазердің ішінде орналастыруға болады, бұл қуыстық АС-ке (intracavity AS) алып келеді, немесе сыртында орналастырылып, сыртқы қуыс деп аталады. Алғашқы техника жоғары сезімталдық қамтамасыз ете алғанымен, оның практикалық қолданылуы барлық сызықтық емес процестерге байланысты шектеулі. Сыртқы қуыстар көп өтулі типте (мысалы, Herriott немесе White жасушалары), резонанс емес типте (осьтан ауытқыған) немесе резонанс типте болуы мүмкін, көбінесе Fabry–Pérot (FP) эталоны ретінде жұмыс істейді. Көп өтулі жасушалар, әдетте, өзара әрекеттесу ұзақтығын шамамен ~2 ретке дейін ұлғайта алады және қазіргі уақытта TDLAS-пен бірге жиі қолданылады. Резонанстық қуыстар жол ұзындығын әлдеқайда үлкен мөлшерде ұлғайтуға мүмкіндік береді, бұл қуыстың нәзіктігіне (finesse), F, тең. Теңгерілген қуыс үшін, шағылыстыру қабілеті ~99.99–99.999% болатын жоғары шағылыстыратын айналары бар жағдайда, бұл көрсеткіш ~104 – 105-ке жете алады. Егер өзара әрекеттесу ұзындығының осы ұлғаюын тиімді пайдалану мүмкін болса, онда анықталудың айтарлықтай артуына кепілдік беріледі. Резонанстық қуыстармен байланысты мәселе – жоғары нәзіктік қуысының өте тар қуыс режимдеріне ие болуы, көбінесе төменгі кГц диапазонында (қуыс режимдерінің ені FSR/F арқылы анықталады, мұнда FSR – қуыстың еркін спектрлік диапазоны, ол c/2L арқылы есептеледі, мұнда c – жарық жылдамдығы және L – қуыс ұзындығы). КВ лазерлері көбінесе МГц диапазонында еркін жүретін сызық еніне ие, ал импульстік лазерлерде бұл көрсеткіш тіпті жоғары болады. Сондықтан, лазерлік сәулені жоғары нәзіктік қуысқа тиімді енгізу оңай емес. Ең маңызды резонанстық CEAS техникалары – қуыс шеңберін төмендету спектрометриясы (CRDS), интеграцияланған қуыс шығыс спектроскопиясы (ICOS) немесе қуыспен күшейтілген сіңіру спектроскопиясы (CEAS), фазалық ығысу қуыс шеңберін төмендету спектрометриясы (PS CRDS) және үздіксіз толқын қуыспен күшейтілген сіңіру спектрометриясы (cw CEAS), оптикалық құлыптаумен (OF CEAS), Romanini және авторлар көрсеткендей, немесе электрондық құлыптаумен, немесе жиілік модуляциясы және оптикалық кері байланыс құлыптауының комбинациясымен (FM OF CEAS). Ең маңызды резонанс емес CEAS техникалары – осьтен ауытқыған ICOS (OA ICOS) немесе осьтен ауытқыған CEAS (OA CEAS), толқын ұзындығы модуляциясы осьтен ауытқыған CEAS (WM OA CEAS), осьтен ауытқыған фазалық ығысу қуыспен күшейтілген сіңіру спектроскопиясы (off-axis PS CEAS). Резонанстық және резонанс емес қуыспен күшейтілген сіңіру техникалары әзірге TDLAS-пен осылай жиі қолданылмады. Алайда, бұл сала жылдам дамып келе жатқандықтан, болашақта олар TDLAS-пен көбірек қолданылатын болады деп күтілуде.

Қолданбалар

Фармацевтикалық препараттар үшін мұздату-кептіру (лиофилизация) циклын әзірлеу және оңтайландыру. Гипердыбыстық/қайта кіру жылдамдығы зерттеу орталықтарында және скремджет жану камераларында ағын диагностикасы. Қысқылтекпен реттелетін диодты лазерлік спектрометрлер өнеркәсіптік процестердің кең ауқымында қауіпсіздікті қамтамасыз етуде маңызды рөл атқарады, осы себепті TDLS көбінесе заманауи химиялық өндіріс орталықтарының құрамдас бөлігі болып табылады. Газ құрамын өлшеудегі басқа технологиялармен салыстырғандағы жылдам жауап беру уақыты және көптеген фонолық газдар мен сыртқы орта жағдайларына төзімділігі TDL технологиясын өндірістік ортадағы жанғыш газдарды бақылау үшін кеңінен таңдалатын технологияға айналдырады. Бұл технология факелдерде, резервуарлардың бос кеңістігінде және жарылғыш атмосфераның қалыптасуын болдырмау қажетті басқа да жерлерде қолданылады. 2018 жылғы зерттеуге сәйкес, TDL технологиясы химиялық өңдеуде газ талдауы үшін ең көп таңдалатын технологиялардың төртіншісі болып табылады.