Введение
Метод измерения химического состава газа
Тюнерируемая диодная лазерная абсорбционная спектроскопия (TDLAS, иногда называемая TDLS, TLS или TLAS) – это метод измерения концентрации определенных веществ, таких как метан, водяной пар и многих других, в газовой смеси с использованием тюнерируемых диодных лазеров и лазерной абсорбционной спектрометрии. Преимущество TDLAS перед другими методами измерения концентрации заключается в возможности достижения очень низких пределов обнаружения (порядка ppb). Помимо концентрации, также возможно определение температуры, давления, скорости и массового расхода газа, находящегося под наблюдением. TDLAS является наиболее распространенной лазерной абсорбционной техникой для количественной оценки веществ в газовой фазе.
Tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS, sometimes referred to as TDLS, TLS or TLAS) is a technique for measuring the concentration of certain species such as methane, water vapor and many more, in a gaseous mixture using tunable diode lasers and laser absorption spectrometry. The advantage of TDLAS over other techniques for concentration measurement is its ability to achieve very low detection limits (of the order of ppb). Apart from concentration, it is also possible to determine the temperature, pressure, velocity and mass flux of the gas under observation. TDLAS is by far the most common laser based absorption technique for quantitative assessments of species in gas phase.
Работа
Основная установка TDLAS состоит из настраиваемого диодного лазерного источника света, передающей (т.е. формирующей луч) оптики, оптически доступной поглощающей среды, принимающей оптики и детектора (ов). Длина волны излучения настраиваемого диодного лазера, например VCSEL, DFB и т.д., настраивается на характерные линии поглощения вещества в газе на пути лазерного луча. Это вызывает уменьшение измеренной интенсивности сигнала из-за поглощения, которое может быть зарегистрировано фотодиодом и затем использовано для определения концентрации газа и других свойств, как описано далее. Выбор диодного лазера зависит от области применения и диапазона требуемой настройки. Типичными примерами являются InGaAsP/InP (настраиваемый в диапазоне 900 нм – 1,6 мкм), InGaAsP/InAsP (настраиваемый в диапазоне 1,6 мкм – 2,2 мкм) и т.д. Настройка этих лазеров может осуществляться путем регулирования их температуры или изменения плотности тока в активной среде. Изменение температуры позволяет настраивать в диапазоне более 100 см−1, однако ограничено медленной скоростью настройки (несколько герц) из-за тепловой инерции системы. С другой стороны, регулирование тока впрыска обеспечивает настройку со скоростью до ~10 ГГц, но ограничено меньшим диапазоном (около 1–2 см−1). Типичная ширина линии лазера составляет порядка 10−3 см−1 или меньше. Дополнительные методы настройки и сужения ширины линии включают использование внерезонаторной дисперсионной оптики.
Ограничения и средства улучшения
Основным недостатком абсорбционной спектрометрии (АС), а также лазерной абсорбционной спектрометрии (ЛАС) в целом, является зависимость от измерения небольшого изменения сигнала на фоне значительного уровня. Любой шум, вносимый источником света или оптической системой, ухудшает обнаруживаемость метода. Поэтому чувствительность методов прямого поглощения часто ограничена величиной поглощения ~10−3, что значительно выше уровня шума выстрела, который для однопроходной прямой АС (DAS) составляет 10−7 – 10−8. Поскольку этого недостаточно для многих областей применения, АС редко используется в простейшем режиме работы. Существует два основных способа улучшить ситуацию: уменьшить шум в сигнале и увеличить поглощение. Первого можно добиться с помощью методов модуляции, а второго – путем размещения газа в резонаторе, в котором свет проходит через образец несколько раз, тем самым увеличивая длину пути взаимодействия. При использовании метода для обнаружения следовых концентраций также возможно усиление сигнала за счет регистрации на длинах волн, где переходы характеризуются высокой интенсивностью линии, например, при использовании фундаментальных колебательных полос или электронных переходов.
Методы модуляции
Методы модуляции используют тот факт, что технический шум обычно уменьшается с увеличением частоты (поэтому его часто называют 1/f шумом) и улучшают отношение сигнал/шум путем кодирования и детектирования поглощающего сигнала на высокой частоте, где уровень шума низок. Наиболее распространенными методами модуляции являются спектроскопия модуляции длины волны (WMS) и спектроскопия модуляции частоты (FMS). В WMS длина волны света непрерывно сканируется по профилю поглощения, и сигнал детектируется на гармонике частоты модуляции. В FMS свет модулируется на гораздо более высокой частоте, но с меньшим индексом модуляции. В результате появляется пара боковых полос, отстоящих от несущей частотой модуляции, что приводит к так называемому FM-триплету. Сигнал на частоте модуляции представляет собой сумму сигналов разностной частоты несущей с каждой из двух боковых полос. Поскольку эти две боковые полосы полностью сдвинуты по фазе друг относительно друга, эти два сигнала разностной частоты взаимно гасятся в отсутствие поглотителей. Однако изменение любой из боковых полос, будь то поглощение или дисперсия, или фазовый сдвиг несущей, приведет к дисбалансу между двумя сигналами разностной частоты и, следовательно, к появлению результирующего сигнала. Хотя в теории эти методы не имеют базовой линии, оба метода модуляции обычно ограничиваются остаточной амплитудной модуляцией (RAM), возникающей либо от лазера, либо из-за многократных отражений в оптической системе (эталонные эффекты). Если эти вклады шума остаются низкими, чувствительность может быть достигнута в диапазоне 10−5 – 10−6 или даже лучше. В общем случае, спектры поглощения формируются при прямолинейном распространении света через объем, содержащий конкретный газ. Для дальнейшего усиления сигнала можно увеличить оптический путь с помощью многопроходных ячеек. Однако существует разновидность метода WMS, которая использует узкополосное поглощение газов для детектирования даже в тех случаях, когда газы находятся в замкнутых полостях (например, порах) внутри твердого материала. Этот метод называется спектроскопией поглощения газа в рассеивающей среде (GASMAS).
Спектрометрия поглощения с использованием кавитации (CEAS)
Второй способ повышения обнаруживаемости метода TDLAS – увеличение длины взаимодействия. Это достигается размещением анализируемого вещества внутри резонатора, в котором свет многократно отражается, значительно увеличивая эффективную длину взаимодействия. Это привело к развитию группы методов, обозначаемых как спектроскопия с усилением в резонаторе (CEAS). Резонатор может быть расположен внутри лазера, формируя внутрирезонаторную спектроскопию, или снаружи, в этом случае она называется внешним резонатором. Хотя первый подход может обеспечить высокую чувствительность, его практическое применение ограничено из-за возникающих нелинейных процессов. Внешние резонаторы могут быть многопроходными (например, ячейки Эрриота-Уайта), нерезонансными (с отклонением от оптической оси) или резонансными, чаще всего работающими как эталон Фабри-Перо (FP). Многопроходные ячейки, способные увеличить длину взаимодействия до ~2 порядков величины, в настоящее время широко используются совместно с TDLAS. Резонансные резонаторы могут обеспечить значительно большее увеличение длины пути, пропорциональное добротности резонатора (F), которая для сбалансированного резонатора с высокоотражающими зеркалами с коэффициентом отражения ~99,99–99,999% может достигать ~10⁴–10⁵. Важно отметить, что эффективное использование этого увеличения длины взаимодействия обеспечивает существенное повышение обнаруживаемости. Проблема резонансных резонаторов заключается в том, что резонаторы с высокой добротностью имеют очень узкие спектральные моды, часто в диапазоне низких кГц (ширина моды определяется как FSR/F, где FSR – свободный спектральный диапазон резонатора, равный c/2L, где c – скорость света, а L – длина резонатора). Поскольку лазеры непрерывного излучения (cw) часто имеют ширину линии в диапазоне МГц и более, а импульсные – еще больше, эффективно ввести лазерное излучение в резонатор с высокой добротностью – непростая задача. Наиболее важными резонансными методами CEAS являются спектрометрия затухания в резонаторе (CRDS), интегрированная спектроскопия выхода из резонатора (ICOS) или спектроскопия поглощения с усилением в резонаторе (CEAS), спектрометрия затухания в резонаторе со сдвигом фазы (PS CRDS) и спектрометрия поглощения с усилением в резонаторе с непрерывными волнами (cw CEAS), с оптической синхронизацией (OF CEAS), как продемонстрировано Romanini et al., с электронной синхронизацией или комбинацией частотной модуляции и оптической обратной связи (FM OF CEAS). Наиболее важными нерезонансными методами CEAS являются внеосевая ICOS (OA ICOS) или внеосевая CEAS (OA CEAS), внеосевая CEAS с модуляцией длины волны (WM OA CEAS), внеосевая спектроскопия поглощения с усилением в резонаторе со сдвигом фазы (off-axis PS CEAS). До сих пор эти резонансные и нерезонансные методы усиления поглощения в резонаторе использовались с TDLAS не очень часто. Однако, учитывая стремительное развитие этой области, вероятно, их применение с TDLAS в будущем станет более распространенным.
Приложения
Разработка и оптимизация циклов лиофилизации для фармацевтических препаратов. Диагностика течений в гиперзвуковых исследовательских комплексах и камерах сгорания прямоточных воздушно-реактивных двигателей. Спектрометры с перестраиваемым кислородным диодным лазером играют важную роль в обеспечении безопасности широкого спектра промышленных процессов, поэтому TDLS часто являются неотъемлемой частью современных химических предприятий. Высокая скорость отклика по сравнению с другими технологиями измерения состава газа и устойчивость к воздействию фоновых газов и различных условий окружающей среды делают технологию TDL часто предпочтительным выбором для мониторинга горючих газов в технологических средах. Эта технология используется в факельных установках, в headspace резервуаров и в других местах, где необходимо предотвращать образование взрывоопасных сред. Согласно исследованию 2018 года, технология TDL занимает четвертое место по частоте использования для анализа газов в химической промышленности.