автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Экспресс-анализаторы состава атмосферы на поглощении излучения в вакуумной ультрафиолетовой области

На правах рукописи

КУСТИКОВА Марина Александровна

ЭКСПРЕСС-АНАЛИЗАТОРЫ СОСТАВА АТМОСФЕРЫ НА ПОГЛОЩЕНИИ ИЗЛУЧЕНИЯ В ВАКУУМНОЙ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЙ ОБЛАСТИ

Специальность: 05.11.13-Приборы и методы контроля природной среды,

веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2005

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики (СП6ТУ ИТМО)

Научный руководитель

Доктор физико-математических наук, профессор

Официальные оппоненты

Доктор технических наук, профессор Катушкин Владимир Петрович

Козлов Михаил Георгиевич

Кандидат технических наук, доцент Черникова Анна Владимировна

Ведущая организация

ФГУП «ВНИИМ им. Д.И.Менделеева»

Защита

диссертации состоится

¿2 У¿¿л-огсл.

2005

при

_часов на заседании диссертационного совета Д 212.230.03

Государственном образовательном учреждении высшего

профессионального образования Санкт-Петербургском государственном технологическом институте (техническом университете) по адресу: 190013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета).

Отзывы на автореферат в одном экземпляре, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 190013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26, СПб ГТИ (ТУ), Ученый Совет, тел. (812)2594875, факс (812)3179452.

Автореферат разослан

2005 г.

г

в

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д 212.230.03 Кандидат технических наук

В.И.Халимон

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Определение состава атмосферного воздуха - одно из самых традиционных направлений физики атмосферы, метеорологии, экологии, медицины. Соответственно, большое внимание в аналитическом приборостроении занимает создание и апробация новых приборов и методов определения состава атмосферы. Особую нишу в этом направлении занимают быстродействующие оптические приборы, позволяющие получать информацию о концентрации определяемого компонента в реальном масштабе времени.

Данная работа посвящена разработке и исследованию оптических датчиков, принцип действия которых основан на поглощении излучения в вакуумной ультрафиолетовой (ВУФ) области, и созданию анализаторов состава атмосферы на кислород и водяной пар.

Кислород и водяной пар являются основными жизненно важными компонентами атмосферы. Не случайно в эпоху полетов на планеты солнечной системы определение содержания водяного пара и кислорода является одним из самых важных вопросов. То же самое следует сказать и об исследованиях состава атмосферы с летательных аппаратов. В течение нескольких десятилетий вертикальное зондирование атмосферы стояло среди самых востребованных задач науки и техники.

Существуют и другие, не менее важные задачи, для решения которых требуется измерение содержания кислорода и водяного пара: в атмосфере шахт и замкнутых сред обитания, в воздухе рабочей зоны предприятий, при контроле состава дыхательных смесей. Несмотря на множество находящихся в эксплуатации типов гигрометров и газоанализаторов на кислород, основанных на различных принципах измерения, они не удовлетворяют в полной мере таким техническим требованиям как быстродействие, избирательность к определяемому компоненту, простота и надежность периодического контроля метрологической исправности средств измерений. Приведенные примеры свидетельствуют о том, что создание экспресс-анализаторов состава атмосферы, удовлетворяющих перечисленным выше требованиям, является важной научно-технической задачей. Применение техники ВУФ спектроскопии в диапазоне длин волн 110 - 220 нм позволяет решить поставленную задачу. Цели и основные задачи работы

Целью диссертации являлось исследование возможности создания быстродействующих анализаторов состава атмосферы, принцип действия которых основан на поглощении излучения в ближней ВУФ области в диапазоне длин волн ПО - 220 нм, предназначенных для изучения приземного и верхних слоев атмосферы, использования в системах жизнеобеспечения замкнутых сред обитания, для контроля воздуха рабочей

зоны и состава дыхательных смесей. Для этого необходимо было решить

следующие задачи:

- провести анализ характеристик существующих источников и

' ' приемников излучения, а также современных оптических материалов

для ближней ВУФ области;

- выполнить теоретические и экспериментальные исследования, направленные на создание оптических ВУФ датчиков на основные компоненты атмосферы, прежде всего на кислород и водяной пар, и оптимизацию их характеристик по чувствительности и селективности;

- создать на базе разработанных технических решений экспериментальные образцы ВУФ анализаторов кислорода и водяного пара, провести их исследование, определить технические и метрологические характеристики;

- разработать методики градуировки и поверки ВУФ анализаторов состава атмосферы.

Научная новизна работы состоит в следующем;

1. Для создания анализаторов водяного пара и кислорода использована техника спектроскопии вакуумного ультрафиолета в диапазоне длин волн ПО - 220 нм. Существенная новизна такого подхода составила предмет заявки на изобретение «Способ определения концентраций компонентов в газовых смесях».

2. Результаты экспериментальных исследований спектральных характеристик ВУФ источников излучения, проведенные с целью выявления возможных пределов их изменения в зависимости от различных факторов, позволили оценить их пригодность для анализа состава атмосферы и выбрать источники с оптимальными спектральными характеристиками для каждого определяемого компонента.

3. Предложена математическая модель ВУФ анализатора для случая немонохроматического излучения при наличии поглощения мешающих компонентов на рабочей длине волны.

4. На основе теоретических и экспериментальных исследований получены зависимости оптической плотности анализируемой среды в кюветном пространстве датчика при различных спектральных характеристиках ВУФ источников, длине поглощающего слоя и составе воздушной среды.

5. Разработаны принципы построения анализаторов на кислород и водяной пар в атмосфере, обеспечивающие заданные метрологические и технические характеристики и минимизацию перекрестной чувствительности к неопределяемым компонентам за счет использования двух спектральных интервалов в ближней ВУФ области.

6. Предложены и теоретически обоснованы методики градуировки и поверки ВУФ анализаторов состава атмосферы, основанные на использовании стандартных справочных данных о сечениях поглощения определяемых компонентов.

Практическая значимость

1. Предложенные новые технические решения в области ВУФ спектроскопии позволили создать экспериментальные образцы быстродействующих анализаторов на кислород и водяной пар.

2. Результаты исследований характеристик экспериментальных образцов ВУФ анализаторов подтвердили возможность создания промышленных образцов приборов для исследования приземного и верхних слоев атмосферы, контроля состава воздуха замкнутых сред обитания, дыхательных смесей и воздуха рабочей зоны, отличающихся высоким быстродействием.

3. Экспериментальные образцы ВУФ анализаторов на водяной пар, прошедшие градуировку во ВНИИМ им. Д.И.Менделеева, использовались при исследовании характеристик генератора влажности, входящего в состав калибровочного центра приборостроительного предприятия ТКА (Санкт-Петербург).

4. Разработаны и внедрены практические рекомендации по использованию ВУФ датчика концентрации водяного пара при исследовании характеристик эталонного гигрометрического комплекса аппаратуры в составе эталонного комплекса аппаратуры ВНИИМ им. Д.И.Менделеева с целью повышения точности контроля стабильности концентрации водяного пара в создаваемой комплексом эталонной газовой смеси в процессе воспроизведения единицы влажности.

5. Образцы оптических ВУФ датчиков концентрации компонентов атмосферы используются в лабораторных работах при изучении раздела «Методы и средства экологического мониторинга» дисциплин «Экология», «Экологический мониторинг», «Оптико-электронные методы и средства экологического мониторинга», «Безопасность жизнедеятельности человека» для студентов II - V курсов Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики (СПбГУ ИТМО) и «Экология» и «Метрология» для студентов Санкт-Петербургского государственного университета технологии и дизайна (СПБ ГУТД).

На защиту выносятся следующие положения

1. Метод поглощения излучения в ближней ВУФ области позволяет решить задачу экспресс-анализа состава атмосферы в широком диапазоне концентраций кислорода и водяного пара.

2. Реализация способа измерения концентрации кислорода и водяного пара в воздухе может быть осуществлена путем создания быстродействующего оптического недисперсионного датчика с ВУФ источником.

3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований позволили установить, что для обеспечения оптимальных по избирательности и линейности выходных характеристик в качестве источников ВУФ излучения для датчика концентрации кислорода следует использовать ксеноновую резонансную лампу, излучающую на длине волны 147 нм, а

для датчика концентрации водяного пара - гелиевую лампу со следами водорода, излучающую на длине волны 121,6 нм, а также комбинацию нерезонансных и резонансных ВУФ ламп, при этом толщина поглощающего слоя анализируемой пробы должна быть в интервале 0,3 -1 мм.

4. Разработанные принципы построения анализаторов кислорода и водяного пара для различных спектральных участков областей ВУФ области излучения, обеспечивающие измерение концентрации кислорода и водяного пара на уровне, соответствующем концентрациям в приземном слое атмосферы, с погрешностью не более 5 % при их одновременном присутствии в анализируемой пробе.

5. Впервые созданы экспериментальные образцы ВУФ-анализаторов на кислород и водяной пар с источниками излучения различных типов с монохроматическим излучением на длинах волн 121,6 нм, 123 нм и 147 нм, а также с многолинейчатым спектром в диапазоне 121,6 - 160 нм, предназначенные для определения состава атмосферы и исследования быстропротекающих процессов.

6. Возможность метрологического обеспечения ВУФ анализаторов в условиях эксплуатации без использования эталонных газовых смесей и генераторов влажного воздуха путем применения расчетных градуировочных характеристик на основе стандартных справочных данных о сечениях поглощения кислорода и водяного пара.

Апробация работы

Результаты работы обсуждались на следующих семинарах и

конференциях:

1. XXXII научная и учебно-методическая конференция профессорско-преподавательского состава (ППС) СПбГУ ИТМО, Санкт-Петербург, февраль, 2003 г.

2. XXXШ научная и учебно-методическая конференция ППС СПБГУ ИТМО, Санкт-Петербург, февраль, 2004 г.

3. XXXIV научная и учебно-методическая конференция ППС СПБГУ ИТМО, Санкт-Петербург, февраль, 2005 г.

4. VI Международная конференция «Прикладная оптика» в рамках Международного конгресса «Оптика XXI век», Санкт-Петербург, октябрь 2004 г.

5. Международная конференция «Приборостроение в экологии и безопасности человека». Санкт-Петербург, ноябрь 2004 г.

6. Международная научно-техническая конференция «Наука и образование - 2005», Мурманск, апрель 2005 г.

Кроме того, результаты диссертационной работы обсуждались на семинарах аспирантских работ в СПб ГУ ИТМО, в СПб ГУ технологии и дизайна, на научно-техническом совете фирмы «ТКА».

Публикации

По материалам диссертации имеется пять публикаций: в центральных научных журналах: «Оптический журнал», «Известия вузов. Приборостроение» и в трудах международных и всероссийских конференций. Подана заявка на изобретение РФ «Способ определения концентрации компонентов в газовых смесях» (Заявка № 2004108945/28(009633) от 19.03.2004).

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы, приложений. Общий объем работы 139 страниц, в том числе 124 страницы текста, 34 рисунка, 14 таблиц, 6 страниц приложения. Список литературы включает 92 наименования на 9 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассматривается актуальность проблемы создания быстродействующих измерительных приборов и приборных комплексов для определения содержания жизненно важных компонентов атмосферы: кислорода и водяного пара, формулируются направление исследования и задачи работы, приводятся основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе дано обоснование основных положений, которые позволяют считать спектроскопию вакуумного ультрафиолета самостоятельным, очень специфичным разделом спектроскопии. В соответствии с традициями ВУФ область подразделяют на ближнюю ВУФ область ПО - 220 нм, называемую шумановской, и дальнюю ВУФ область 10 - ПО нм, называемую лаймановской. Для шумановской области существуют прозрачные оптические материалы. В основном это фториды металлов лития, бария, кальция и магния. Из этих материалов при постановке исследований и при создании приборов изготавливают окна, линзы, призмы, поляризаторы и другие оптические элементы. Для лаймановской области прозрачные элементы отсутствуют, поэтому оптические схемы измерительных устройств работают на отражениях и с использованием узлов с дифференциальной вакуумной откачкой.

Приведен обзор имеющихся приборов и методов спектроскопии вакуумного ультрафиолета. Поскольку работа проводилась в ближней ВУФ области, приведены краткие сведения о свойствах прозрачных материалов, об эффективности отражающих покрытий в диапазоне длин волн от 110 до 220 нм. Рассмотрены различные варианты оптических схем спектральных приборов для ВУФ области. Подавляющее число спектральных приборов построено на использовании вогнутых дифракционных решеток вследствие того, что такие решетки обладают диспергирующими свойствами и

фокусируют спектр без использования коллиматорных и камерных объективов. Приведены различные схемы вакуумных спектральных приборов и отмечены их основные преимущества и недостатки.

Отдельные разделы посвящены выбору источников и приемников ВУФ излучения. На основе анализа литературных данных показано, что в мировой практике существует широкий набор средств, позволяющих реализовать принцип измерения концентраций компонентов атмосферы по поглощению в ВУФ области.

В заключение рассмотрены литературные данные по спектрам поглощения водяного пара, кислорода и других компонентов атмосферы в диапазоне длин волн ПО - 220 нм. В результате анализа данных о коэффициентах поглощения водяного пара и кислорода сформулированы требования к конструкции датчиков.

Вторая глава диссертации содержит описание метода измерения концентраций по поглощению электромагнитного излучения. Основой метода является закон поглощения монохроматического излучения, известный как закон Бугера-Ламберта- Бера:

Ф,=Ф,

N1

Л ~

(О

поглощающий слой и прошедшего через него, соответственно, N -концентрация поглощающих частиц (число частиц в единице объема), / -толщина поглощающего слоя, - сечение поглощения на длине волны

Данный метод измерения позволяет определить абсолютную влажность А (г-м"3) в соответствии с выражением

где М - молярная масса (г-моль1'), Ыа — постоянная Авогадро, моль"1, ^=6,0221367-1023 моль"1, N — число частиц поглощающего компонента в единице объема, см"3, рассчитываемое на основании выражения (1) как

^ОпФо-ЫФ,,)^. (3)

Содержание кислорода С(к выражают в объемных долях (%). Для определения этой величины следует найти отношение числа частиц в единице объема (3) к постоянной Лошмидта, равной числу молекул газа в одном кубическом сантиметре при нормальных условиях:

где - постоянная Лошмидта, равная

Закон Бугера-Ламберта-Бера применим для монохроматического излучения. Если излучение немонохроматично или на одной длине волны поглощают несколько компонентов, выражение (1) не будет адекватно характеризовать ситуацию.

где - спектральная плотность потоков излучения, падающего на

Рассмотрен случай немонохроматического излучения. С целью упрощения вычислений, позволяющих оценить долю поглощенного немонохроматического потока излучения, сечение поглощения на фиксированной длине волны X было заменено средним значением сечения поглощения а в заданном интервале длин волн, ослабление потока излучения в результате поглощения рассматривалось как интегральное значение потока во всем спектральном диапазоне регистрации сигнала. В результате получено выражение, позволяющее оценить долю поглощенного потока излучения

_ £> = стЛ7, (5)

где £> =1пФо-1пФ - оптическая плотность, характеризующая степень поглощения потока в интервале длин волн от - среднее по

интервалу длин волн значение потока излучения, падающего на поглощающую среду, Ф - тоже для потока, прошедшего через поглощающий слой.

Наличие мешающих компонентов сказывается в аддитивном наложении поглощенной энергии при измерении аналитического сигнала в соответствии с выражением

ИЛИ

Ил + (8)

Теоретические исследования позволили получить математическую модель ВУФ анализатора для одновременного определения содержания ^ и И2 двух компонентов (например, водяного пара и кислорода), выраженная через сечения поглощения определяемых компонентов сг^, сг^, сг^ и измеренные оптические плотности на двух длинах волн

Данная модель обосновывает возможность минимизации взаимного влияния (перекрестной чувствительности) юм^онент^в на результат измерения:

Для реализации предпосылок метода поглощения применительно к регистрации вакуумного ультрафиолетового излучения был предложен и исследован датчик концентрации компонентов атмосферы, состоящий из источника излучения и солнечно-слепого фотоэлемента, расположенных на расстоянии около 1 мм друг от друга (рис.1). Исследуемый воздух пропускался через зазор между лампой и фотоприемником.

В зависимости от решаемой задачи использовались различные варианты водородных микроламп, ксеноновая и криптоновая микролампы (таблица).

Все типы источников имели выходное окно, изготовленное из фтористого магния. Мощность излучения ламп такого типа составляет 1 мВт.

При такой конструкции датчика длинноволновая граница рабочего диапазона длин волн определялась чувствительностью фотокатода. В работе использовались вакуумные фотоэлементы на внешнем фотоэффекте с катодом из никеля, имеющим границу фотоэффекта на длине волны около 190 нм.

Спектральные характеристики источников (микроламп) ВУФ излучения

Таблица

Тип лампы водородная ЛГВ-1 20 % Н2+80 % Не гелиевая со следами водорода криптоновая КРМ-3 ксеноновая КСР-143

Характер спектра излучения квазисплошной многолинейчатый спектр 121 - 160 нм монохроматическое излучение 121,6 нм монохроматическое излучение 123 нм монохроматическое излучение 147 нм

Коротковолновая граница рабочего диапазона датчика определялась прозрачностью окна из фтористого магния и составляла приблизительно 115 нм. Такие параметры определяли рабочий спектральный диапазон от 115 до 190 нм без использования диспергирующих оптических элементов.

Из данных табл. 1 видно, что для всех ламп, кроме водородной ЛГВ-1, в этот диапазон попадает только одна линия и, соответственно, датчики с лампами на резонансном излучении водорода (121,6 нм), криптона (123 нм) и ксенона (147 нм) практически работают на монохроматическом излучении.

Рис 1. Схема датчика концентрации компонентов в газовых средах на поглощении ВУФ излучения.

В третьей главе описаны экспериментальные установки, позволяющие исследовать спектры испускания источников ВУФ излучения, экспериментально проверять выполнимость закона поглощения (1) при изменении толщины поглощающего слоя, а также исследовать зависимость выходного сигнала датчика при изменении концентрации паров воды и кислорода в пробе газа. Регистрация спектров испускания ВУФ ламп проводилась на вакуумном спектрографе ВМС-1 с фотографической

регистрацией, собранного по схеме Черни-Турнера. Спектры фотографировались на специальную безжелатиновую пленку УФ-4, предназначенную для регистрации вакуумного ультрафиолета. Для проверки зависимости выходного сигнала датчиков от толщины поглощающего слоя использовался стенд, позволяющий изменять расстояние между источником и фотоприемником от 0 до 2 мм с шагом 0,1 мм.

Градуировка датчиков с различными типами ламп по кислороду проводилась на газосмесительной установке путем смешивания сухого искусственного воздуха (объемная доля кислорода в азоте 21 %) с сухим азотом. Это позволяло подавать в датчики азот с содержанием кислорода от 0 до 21 %. Состав градуировочной смеси контролировался электрохимическим анализатором кислорода, отградуированным с помощью эталонных газовых смесей ФГУП «ВНИИМ им. Д.И.Менделеева» с относительной погрешностью 2 %.

Градуировка датчиков по водяному пару проводилась на образцовом генераторе влажного газа, работающем на основе метода измерения расходов двух смешиваемых газов - осушенного и увлажненного до 90 - 95 % относительной влажности (относительная погрешность 2 %) и солевых гигростатов (относительная погрешность 3 %).

Проверка выполнимости закона поглощения (1) проводилась в связи с предпосылкой о возникновении эффектов рассеяния, ионизации и диссоциации молекул газа в поглощающем слое датчика. а) б)

й

2,5

0,2 0,4 0,6 0,8 1 /,мм 0

0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 /, мм

Рис.2. Зависимость оптической плотности D от толщины поглощающего слоя / для датчиков с разными ВУФ лампами при Л=\5 мг/м3 (а) и для водородной лампы при различных значениях абсолютной влажности воздуха Л (б).

Экспериментальные исследования показали (рис.2 а, б): во-первых, что зависимость выходного сигнала от толщины поглощающего слоя в датчиках в установленных пределах является линейной - это косвенно подтверждает выполнимость закона поглощения;

и, во-вторых, что оптимальная толщина поглощающего слоя (оптическая плотность поглощающего слоя ЕХ2) для всех типов ламп, кроме ксеноновой,

равна 1 мм. Для ксеноновой лампы поглощение кислорода настолько интенсивное, что толщина поглощающего слоя не должна превышать 0,6 мм.

Приводятся результаты работы по исследованию зависимости выходного сигнала ВУФ датчиков при изменении концентрации водяного пара и кислорода в пробе газа. Рассмотрены результаты исследования датчиков с водородной лампой ЛГВ-1, излучающей в области 110 - 190 нм многолинейчатый спектр молекулярного водорода, и специально изготовленной лампой с гелиевым наполнением со следами водорода, излучающей резонансную линию водорода Ьа с длиной волны 121,6 нм.

Датчик с лампой ЛГВ-1 отличается от датчика с в

„ основном тем, что интегральный поток в ближней ВУФ области оказывается почти на порядок выше. Это упрощает схему регистрации, позволяет избавиться от наводок и помех. Чувствительность такого датчика оказывается в несколько раз выше, чем у датчика с из-за

того, что измерительный сигнал формируется за счет поглощения излучения анализируемой средой в более широком диапазоне длин волн. Минусом такого варианта датчика является необходимость учета немонохроматичности излучения и влияния поглощения излучения кислородом. Для измерения абсолютной влажности в лабораторных условиях, когда содержание кислорода можно считать постоянным и близким к 21 %, датчик влажности с лампой ЛГВ-1 можно градуировать по увлажненному воздуху, пользуясь методикой, изложенной в третьей главе.

0. 5 10 15 20 Л,г/м3

Рис.3. Зависимость оптической плотности В от абсолютной влажности А для датчиков с различными ВУФ лампами. Толщина поглощающего слоя /=1 мм для водородной и криптоновой ламп и /=0,3 мм - для ксеноновой лампы.

Кроме водородных ламп в датчиках влажности в качестве источников излучения использовались также криптоновая и ксеноновая лампы. В датчиках с этими типами ламп излучение монохроматично (длины волн 123 и 147 нм, соответственно), но на поглощение водяного пара накладывается сильное поглощение кислорода. Исследования показали, что датчики

обладают более низкой чувствительностью к водяному пару, а их градуировочные характеристики сохраняют линейность при изменении абсолютной влажности пробы воздуха от 0 до 20 г/м3. Датчики влажности в процессе исследования калибровались по сухому воздуху с постоянным содержанием водяного пара таким образом, что непоглощенкый поток излучения Фо в выражении (1) соответствовал нулевой влажности при объемной доле кислорода 21 %. На рис.3 приведены зависимости оптической плотности датчиков от абсолютной влажности для различных типов источников ВУФ излучения.

Результаты исследования датчиков концентрации кислорода с различными лампами (рис.4) показали, что практически все типы оптических ВУФ датчиков, кроме датчика с /-„-излучением, обладают чувствительностью к кислороду. Наилучшим вариантом является датчик с ксеноновой резонансной лампой с излучением на длине волны 147 нм. Как показано в главе 1, в этой области длин волн сигнал, соответствующий поглощению кислорода, почти на два порядка выше, чем сигнал, соответствующий поглощению водяного пара. Поскольку излучение ксеноновой лампы монохроматично, к такому датчику применимы выводы, полученные для датчика на водяной пар с Ьа излучением.

а)

0,3

0,2

0,1

0 5 10 15 20 Со2,% 0 5 10 15 20 Со2,%

Рис. 4. Зависимость оптической плотности £> от содержания кислорода С для датчиков с разными ВУФ лампами. Толщина поглощающего слоя 1=1 мм для водородной и криптоновой ламп и /=0,3 мм - для ксеноновой лампы.

Результаты экспериментального исследования взаимного влияния кислорода и паров воды на исследуемые датчики показали, что, если для определения содержания кислорода использовать датчик с ксеноновой лампой (излучение на длине волны 147 нм), то такой датчик обладает наименьшей перекрестной чувствительностью к неизмеряемому компоненту - водяному пару. Абсолютная погрешность от мешающего влияния водяного пара составляет 0,5 - 0,6 %.

б)

При определении содержания водяного пара такой же эффект реализуется при использовании в датчике источника излучения, наполненного гелием со следами водорода (излучение на 121,6 нм). Время установления выходного сигнала исследуемых датчиков не превышало 3 секунд, и было обусловлено, прежде всего, объемом подводящих газовые смеси трубок. Теоретически и экспериментально показано, что снижение взаимного влияния кислорода и водяного пара на результат измерения может быть достигнуто за счет одновременного использования для анализа пробы воздуха двух датчиков, например, с ксеноновой и водородной или с криптоновой и водородной лампами.

Проведенные исследования позволили установить возможности датчиков с различными типами ламп в ВУФ области для анализа состава атмосферы.

В четвертой главе изложены основные результаты применения теоретических и экспериментальных положений диссертации при разработке и исследовании экспериментальных образцов оптических ВУФ гигрометров и ВУФ газоанализаторов на кислород.

Приведены результаты исследования оптического гигрометра ТКА-МК, в котором в качестве источника излучения используется лампа ЛГВ-1, которые послужили базисом для постановки основополагающих исследований данной работы.

В технических данных на этот тип лампы указывалось, что большая часть излучения должна приходиться на резонансную линию с длиной волны Гигрометр с такой лампой должен был реагировать на водяной пар с чувствительностью в сотни раз большей, чем на кислород. И, таким образом, дополнительная относительная погрешность от мешающего влияния кислорода должна быть менее 1 %. Исследования показали, что при относительной влажности 70-80 % доли измерительного сигнала, обусловленные поглощением кислорода и поглощением водяного пара, оказываются одинаковыми, а при уменьшении влажности вклад кислорода в измерительный сигнал возрастает в несколько раз (рис.5).

Причина такой ситуации прояснилась после того, как был зарегистрирован спектр испускания лампы ЛГВ-1, в котором наблюдался интенсивный спектр испускания молекулярного водорода, а поток излучения линии составлял лишь малую часть от общего потока излучения.

Результаты исследований характеристик ВУФ датчиков, приведенные в предыдущей главе, позволили дать ответ на большинство вопросов, возникших при исследовании гигрометра ТКА-МК.

В процессе выполнения данной работы были изготовлены три типа экспериментальных образцов ВУФ гигрометров.

Первый тип - гигрометр с гелиево-водородной лампой с излучением на резонансной линии Такая лампа имеет чувствительность к

парам воды приблизительно в 200 раз выше, чем к кислороду. В этом случае относительная погрешность от мешающего влияния кислорода не превысит 1 %.

Второй тип гигрометра - погружной гигрометр на основе датчика с малогабаритной лампой ЛГВМ - 0,5 (диаметр колбы 10 мм) с молекулярным эмиссионным многолинейчатым спектром. Питание лампы осуществляется от высокочастотного импульсного генератора. Гигрометр не имеет побудителя расхода воздуха, так как измерения проводятся путем погружения измерительного зонда в контролируемую атмосферу. Простая электрическая схема гигрометра питается от аккумулятора с напряжением 5-6В.

-1-1__1_I_

О 5 10 15 20 А, г/м3

Рис. 5. Зависимость оптической плотности /) датчика гигрометра ТКА.-МК от абсолютной влажности воздуха А Толщина пошошдюгцего слоя /=1,75 мм

Существенное отличие третьего экспериментального образца состоит в том, что в нем реализовано два измерительных канала на основе датчиков с криптоновой лампой и лампой ЛГВ-1 (расстояние между источником и приемником в датчиках 1 мм), имеющей многолинейчатый спектр. На основании полученных уравнений измерений датчиков

£>& = 0,008^ + 0,004ЛЯ (10)

£>„2 = 0,0145С„г + 0,006/гЯ, (И)

где Сщ - объемная доля кислорода (%) и ЯИ- относительная влажность (%), по результатам измерения выходных сигналов датчиков в микропроцессорном преобразователе рассчитывалась относительная влажность для температуры 20 "С по формуле

Экспериментальный образец ВУФ газоанализатора на кислород построен на основе датчика с ксеноновой резонансной лампой. Расстояние между источником излучения и приемником составляет 0,3 мм. Экспериментально полученное уравнение измерения датчика позволяет установить, что дополнительная абсолютная погрешность от мешающего влияния водяного пара в воздухе не превышает 0,6 %.

Рассмотрены особенности метрологического обеспечения оптического ВУФ гигрометра. Исследования с использованием при градуировке генераторов влажного газа, солевых гигростатов и данных о сечениях поглощения показали, что оптические ВУФ гигрометры могут быть отградуированы только по одной точке, например, по сухому воздуху, так как при эксплуатации градуировка такого прибора может измениться только за счет изменения потока излучения источника (Фо в выражении (1)), а сечение поглощения ак и величина зазора /, входящие в это выражение, не меняются в процессе эксплуатации. Для реализации этого метода необходимо обладать справочными данными о сечениях поглощения и точно определить расстояние между лампой и фотоприемником. Аналогичный подход распространяется и на ВУФ газоанализатор на кислород.

На основании результатов анализа составляющих погрешности разработанных анализаторов в условиях эксплуатации с учетом современных требований, изложенных в международных и национальных документах ИСО «Руководство по выражению неопределенности измерений» и МИ 2552-99, произведена оценка расширенной неопределенности (эквивалент доверительных границ погрешности) результатов измерений ВУФ-анализаторов, которые составили 4 - 5 %.

На основе разработанной математической модели (9) двухканального ВУФ-анализатора получены и исследованы аналитические выражения для оценки суммарной стандартной неопределенности (эквивалент суммарной погрешности) измерений для случая градуировки с использованием справочных данных о сечениях поглощения определяемых компонентов атмосферы. Общее соотношение между суммарной стандартной неопределенностью и, (Ы,) и и( (М2) значений N1 и N2 и неопределенностью параметров , <т'л], а"г, Би 1\ и /2, от которых зависят N1 и Лг2, имеет вид

^ю^р^У^ЩгиЩнЩ)^), (п)

где 1=1, 2 - число определяемых компонентов; 7= 1,2 — число измерительных каналов.

После вычисления производных выражение (14) примет вид: для первого определяемого компонента

цад-^сл^ю+лг»1^(14) для второго определяемого компонента

I 2 'I 5

Выражения (14) и (15) позволяют установить требования к неопределенности справочных значений сечений поглощения для достижения заданной неопределенности результата измерения.

Проведенные численные эксперименты с использованием значений сечений поглощения водяного пара и кислорода, взятых из литературных источников, и оптических плотностей, полученных в результате экспериментальных исследований, показали, что для достижения значения расширенной неопределенности измерения кислорода и водяного пара 5 % (при коэффициенте охвата - 2), что соответствует лучшим серийным образцам газоанализаторов на кислород и гигрометров, относительная расширенная неопределенность справочных значений сечений поглощения не должна превышать 1 %.

В заключительной пятой главе представлены результаты сравнительного анализа характеристик гигрометров и газоанализаторов на кислород, выполненного на основании информации, полученной из литературных источников и базы данных ВНИИ метрологической службы более чем о 150 типах приборов, внесенных в Государственный реестр средств измерений за последние 10 лет, позволяющие сделать вывод, что при сопоставимости таких основных метрологических характеристик, как диапазон измерения и основная погрешность, оптические ВУФ анализаторы обладают рекордным быстродействием.

Другим преимуществом является то, что многие стандартные процедуры, связанные с метрологическим обеспечением - градуировка, калибровка и поверка, значительно упрощаются, поскольку метрологическое обеспечение оптических измерителей концентрации может опираться на использование стандартных справочных данных о сечениях поглощения в ВУФ области. Возможны варианты, когда калибровка и поверка может осуществляться путем контроля одной точки градуировочной характеристики. Такое качество особенно важно для объектов, где затруднено применение традиционных средств метрологического обеспечения генераторов влажного газа и поверочных газовых смесей в баллонах под давлением.

Еще одним достоинством аппаратуры, основанной на методе спектроскопии вакуумного ультрафиолета, является возможность расширения ее функциональных возможностей. А именно, в работе показана перспективность использования метода спектроскопии вакуумного ультрафиолета при определении содержания таких газовых компонентов как Не, N0, Аг, Кг, Хе, С1 и др.

Основные результаты работы по исследованию анализаторов основных компонентов атмосферы на поглощении ВУФ излучения сформулированы в выводах.

ВЫВОДЫ:

Основные результаты работы по исследованию анализаторов основных

компонентов атмосферы на поглощении ВУФ излучения можно

сформулировать следующим образом:

1. Разработаны теоретические основы метода экспресс-анализа состава атмосферы по поглощению вакуумного ультрафиолетового излучения при наличии нескольких поглощающих компонентов и при использовании ВУФ источников с монохроматическим и немонохроматическим излучением;

2. Созданы установки для экспериментального исследования метрологических и технических характеристик ВУФ датчиков концентрации кислорода и водяного пара, на основе вакуумного спектрографа, кюветного блока датчика с переменной длиной поглощающего слоя пробы, высокоточных анализаторов кислорода и водяного пара, источников эталонных газовых смесей и генератора влажности.

3. Исследованы эксплуатационные и метрологические характеристики оптического гигрометра ТКА-МК, имеющего ВУФ датчик концентрации водяного пара с лампой ЛГВ-1, выявлены источники погрешности от влияния не измеряемых компонентов.

4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований позволили установить, что для обеспечения оптимальных по избирательности и линейности выходных характеристик в качестве источников ВУФ излучения для датчика концентрации кислорода следует использовать ксеноновую резонансную лампу, излучающую на длине волны 147 нм, а для датчика водяного пара - гелиевую лампу со следами водорода, излучающую на длине волны 121,6 нм, а также комбинацию нерезонансного и резонансных ВУФ источников, при этом толщина поглощающего слоя должна быть в интервале 0,3 - 1 мм.

5. Разработаны принципы построения анализаторов кислорода и водяного пара с заданными метрологическими и техническими характеристиками на основе использования различных спектральных участков областей ВУФ излучения, обеспечивающие измерение концентраций кислорода и водяного пара при их одновременном присутствии в анализируемой пробе.

6. Впервые созданы экспериментальные образцы ВУФ-анализаторов на кислород и водяной пар с источниками излучения различных типов с монохроматическим излучением на длинах волн 121,6 нм, 123 нм и 147 нм, а также с многолинейчатым спектром в диапазоне 121,6 - 160 нм, предназначенные для определения состава атмосферы и исследования быстропротекающих процессов, с погрешностью не более 5 %.

7. Доказана возможность метрологического обеспечения ВУФ анализаторов в условиях эксплуатации без использования эталонной газовой смеси и

генераторов влажности воздуха путем применения расчетных градуировочных характеристик на основе стандартных справочных данных о сечениях поглощения кислорода и водяного пара.

8. Разработаны и внедрены практические рекомендации по использованию ВУФ датчика концентрации водяного пара при исследовании характеристик эталонного гигрометрического комплекса аппаратуры ВНИИМ им. Д.И.Менделеева с целью повышения точности контроля стабильности концентрации водяного пара в создаваемой комплексом эталонной газовой смеси в процессе воспроизведения единицы влажности.

9. Разработан лабораторный практикум в рамках дисциплины «Оптико-электронные методы и средства экологического мониторинга», включающий лабораторные работы по исследованию метрологических и технических характеристик ВУФ датчиков концентраций кислорода и водяного пара.

Список опубликованных работ по теме диссертации:

1. Козлов М.Г., Кустикова МА, Томский К.А. Оптические анализаторы состава газовых смесей на поглощении вакуумного ультрафиолета //Сборник трудов VI Международной конференции: Прикладная оптика. 2004. Т. I (2). С. 379 - 383.

2. Кустикова М.А. Исследование оптических датчиков компонентов атмосферы по поглощению вакуумного ультрафиолета //Труды Международной конференции: Приборостроение в экологии и безопасности человека. 2004.СП6. С. 177.

3. Козлов М.Г., Кустикова МА Исследование датчиков влажности газов, основанных на поглощении вакуумного ультрафиолетового излучения //Оптический журнал. 2005. Т. 72, №1. С.14 -19.

4. Козлов М.Г., Кустикова М.А. Определение содержания кислорода и водяного пара в воздухе при измерении в вакуумной ультрафиолетовой области спектра //Известия Вузов. Приборостроение. 2005. Т. 48, № 3. С. 44-47.

5. Кустикова М.А. Измерение содержания кислорода и паров воды в воздухе по поглощению излучения в ВУФ области. //Материалы международной научно-технической конференции: Наука и образование - 2005 (Мурманск, 6-14 апреля, 2005 г.) в 7 ч. Мурманск: МГТУ, 2005. Ч. 5.

1 3 /'ОТ 2

Т1Т

5 ----Г..-Й •* Ь 1 *

»•»^Лк.г -Ч 5 \ о ¿.Г«4 у

Тиражирование и брошюровка выполнены в Центре «Университетские телекоммуникации». Санкт-Петербург, Саблинская ул., 14. Тел. (812)233-46-69 Объем 1 п. л. Тираж 100 экз.

1649

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1.

МЕТОДЫ СПЕКТРОСКОПИИ ВАКУУМНОГО УЛЬТРАФИОЛЕТА. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

1.1. Специфика исследований в вакуумной ультрафиолетовой области спектра.

1.2. Оптические материалы и отражающие покрытия для ближней ВУФ области.

1.3. Вакуумные спектральные приборы.

1.4. Источники вакуумного ультрафиолетового излучения.

1.5. Приемники вакуумного ультрафиолетового излучения.

1.6. Поглощение атмосферных газов в ВУФ области.

1.7. Выводы.

ГЛАВА 2.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ОСНОВНЫХ КОМПОНЕНТОВ АТМОСФЕРЫ ПО ПОГЛОЩЕНИЮ ВУФ ИЗЛУЧЕНИЯ.

2.1. Использование метода поглощения для определения состава газов. Закон Бугера - Ламберта - Бера.

2.2. Влияние немонохроматичности излучения на результаты измерения концентрации компонентов в газах.

2.3. Датчики концентрации кислорода и водяного пара на поглощении ВУФ излучения.

2.4. Микропроцессор для обработки измерительных сигналов датчиков

2.5. Выводы.

ГЛАВА 3.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ КОНЦЕНТРАЦИИ КОМПОНЕНТОВ АТМОСФЕРЫ ПО ПОГЛОЩЕНИЮ ВУФ ИЗЛУЧЕНИЯ.

3.1. Исследование спектров излучения микроламп для вакуумной ультрафиолетовой области.

3.2. Исследование характеристик ВУФ датчиков при изменении толщины поглощающего слоя.

3.3. Исследование характеристик ВУФ датчиков при изменении концентрации водяного пара.

3.4. Исследование характеристик ВУФ датчиков при изменении концентрации кислорода.

3.5. Исследование характеристик оптических датчиков при наличии двух поглощающих компонентов — водяного пара и кислорода.

3.6. Выводы.

ГЛАВА 4.

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ОБРАЗЦОВ ОПТИЧЕСКИХ ГИГРОМЕТРОВ И ГАЗОАНАЛИЗАТОРОВ КИСЛОРОДА В ВОЗДУХЕ НА ПОГЛОЩЕНИИ ВУФ ИЗЛУЧЕНИЯ.

4.1. Гигрометры. Принцип действия и состояние парка рабочих приборов

4.2. Оптический гигрометр ТКА-МК.

4.3. Экспериментальные образцы оптических ВУФ гигрометров с различными типами ламп.

4.4. Газоанализаторы кислорода. Принцип действия и состояние парка рабочих приборов.

4.5. Экспериментальный образец оптического ВУФ газоанализатора кислорода.

4.6. Исследование метрологических характеристик ВУФ анализаторов.

4.7. Выводы.

ГЛАВА 5.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ РАБОТ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ МЕТОДОВ СПЕКТРОСКОПИИ В ВУФ ОБЛАСТИ ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ СОСТАВА ВЕЩЕСТВ И МАТЕРИАЛОВ.

5.1. Сравнительный анализ характеристик экспериментальных образцов ВУФ анализаторов и промышленных гигрометров и газоанализаторов кислорода.

5.2. Новые области применения ВУФ анализаторов.

5.3. Выводы.

ВЫВОДЫ.

Исследование компонентного состава атмосферы - одна из самых давних проблем физики атмосферы. Практически все жизненно важные процессы на Земле связаны с составом атмосферы. Большинство теорий о происхождении жизни и о существовании живых организмов опираются на определяющую роль воды как среды, в которой сформировались первые живые организмы, и кислорода, который является основой окислительных процессов, необходимых в жизненных процессах. При изучении атмосферы планет солнечной системы первым ставится вопрос о наличии там кислорода и паров воды. Первые исследования стратосферы включали в себя измерения содержания водяного пара на различном расстоянии от поверхности Земли. Подобные научные задачи не потеряли актуальности и в настоящее время. Однако к этим задачам добавились проблемы в области охраны окружающей среды и улучшения использования природных ресурсов: мониторинг состава атмосферы и контроль источников выбросов в местах скопления промышленных предприятий, а также в мегаполисах, проблемы сохранения озонового слоя Земли, уменьшения парникового эффекта и многие другие, обусловленные деятельностью человека.

Интерес к научным исследованиям, связанным с информацией о составе атмосферы резко возрос в конце 50-х годов XX столетия, когда создание ракет и искусственных спутников позволило сформулировать новые научные задачи, которые опирались на особенности измерения состава атмосферы по мере удаления от поверхности Земли. В качестве примеров можно перечислить следующие: исследование кинетики процессов образования и разрушения озонового слоя, исследование полярных сияний, изучение процессов Оже в атмосфере, изучение прохождения радиоволн, исследование спектра излучения Солнца в так называемой " зоне вечной ночи" - в диапазоне длин волн короче 290 нм. Последнее научное направление связано с получением возможности регистрации электромагнитного излучения в той области диапазона длин волн, который поглощается озоном (от 290 нм), парами воды (от 190 нм) и кислородом (от 175 нм). В результате поглощения излучение от любых космических объектов в этой области (называемой вакуумной ультрафиолетовой областью) до поверхности Земли не доходит [1,2].

Определение содержания кислорода и водяного пара представляется актуальным не только в физике атмосферы и экологии. Важнейшими задачами в настоящее время стали проблемы обеспечения безопасности жизнедеятельности человека в специальных условиях: контроль состава воздуха в специальных хранилищах, шахтах, в космических кораблях, подводных лодках, скафандрах космонавтов, поддержание стабильного состава атмосферы в летательных аппаратах длительного использования [3].

Учитывая важность решаемых измерительных задач, для их метрологического обеспечения был создан Государственный первичный эталон единицы относительной влажности в Иркутске в ВосточноСибирском институте физико-технических и радиотехнических измерений. В Главном научном центре обеспечения единства измерения Госстандарта РФ, во ВНИИМ им Д.И.Менделеева, при создании Государственного первичного эталона единицы молярной доли компонентов в газовых средах определение концентрации кислорода и водяного пара было поставлено в один ряд с другими газоаналитическими задачами [4, 5].

В настоящее время для определения содержания практически каждого компонента атмосферы существует несколько методов [6, 7]. Более десятка методов используется в гигрометрии для определения влажности [8]. Подобная ситуация имеет место и в решении проблемы определения содержания кислорода [9].

Однако, не смотря на множество находящихся в эксплуатации типов гигрометров и газоанализаторов на кислород, реализующих различные методы измерения такие проблемы как повышение точности результата измерения и быстродействие, обеспечение избирательности к определяемому компоненту, реализация простого и надежного метрологического обеспечения не решены в полной мере.

Особенность данной работы заключается в том, что впервые в научной и приборостроительной практике специфика работы в вакуумном ультрафиолете стала не препятствием, а ценным свойством, позволяющим ставить задачи, недоступные для решения другими методами [10].

Перечисленные примеры свидетельствуют об актуальности контроля содержания водяного пара и кислорода в газовых средах, одной из которых является атмосфера, и создание для этих целей анализаторов, основанных на новых перспективных методах измерения.

Изложенное выше, определило выбор направления диссертационной работы, а именно: исследование возможности создания быстродействующих анализаторов состава атмосферы, принцип действия которых основан на поглощении излучения в ближней ВУФ области в диапазоне длин волн 110 — 190 нм, предназначенных для изучения приземного и верхних слоев атмосферы, использования в системах жизнеобеспечения замкнутых сред обитания, для контроля воздуха рабочей зоны и состава дыхательных смесей.

Для этого необходимо было решить следующие задачи:

- провести анализ характеристик существующих источников и приемников излучения, а также современных оптических материалов для ближней ВУФ области;

- выполнить теоретические и экспериментальные исследования, направленные на создание оптических ВУФ датчиков на основные компоненты атмосферы, прежде всего на кислород и водяной пар, и оптимизацию их характеристик по чувствительности и селективности;

- создать на базе разработанных технических решений экспериментальные образцы ВУФ анализаторов кислорода и водяного пара, провести их исследование, определить технические и метрологические характеристики;

- разработать методы градуировки и поверки ВУФ анализаторов состава атмосферы.

В первой главе проведен обзор имеющихся приборов и методов спектроскопии вакуумного ультрафиолета, приведены сведения о свойствах прозрачных материалов об эффективности отражающих покрытий в диапазоне длин волн 110 - 220 нм, источниках и приемниках ВУФ излучения. Рассмотрены литературные данные по спектрам поглощения водяного пара, кислорода и других компонентов атмосферы в диапазоне 110

220 нм. На основании анализа данных сформулированы требования к конструкции ВУФ датчиков.

Во второй главе исследуются теоретические основы метода поглощения применительно к определению содержания кислорода и водяного пара в ВУФ области спектра; рассматриваются математические модели ВУФ датчиков, описана конструкция быстродействующего ВУФ датчика, сформулированы основные направления исследования датчиков с различными типами ВУФ источников.

В третьей главе описаны экспериментальные установки, позволяющие исследовать спектры испускания источников ВУФ излучения, проверить выполнимость закона поглощения, а также исследовать зависимость выходного сигнала датчика при изменении содержания водяного пара и кислорода в пробе газа. Приведены результаты экспериментальных исследований датчиков с различными типами ВУФ источников, позволившие обеспечить выбор оптимальных характеристик датчиков для каждого определяемого компонента.

В четвертой главе изложены основные результаты применения теоретических и экспериментальных положений диссертации при разработке и исследовании экспериментальных образцов оптических ВУФ анализаторов. Описаны конструкции ВУФ гигрометров и ВУФ анализаторов на кислород, приведены их характеристики, проведен анализ составляющих погрешности анализаторов. Рассмотрена специфика метрологического обеспечения ВУФ анализаторов состава атмосферы, основанного на использовании стандартных справочных данных о сечениях поглощения определяемых компонентов.

В пятой главе представлены результаты сравнительного анализа характеристик, находящихся в эксплуатации гигрометров и газоанализаторов на кислород, позволяющие обосновать преимущества оптических ВУФ анализаторов. Рассмотрены перспективы развития работ, по использованию методов ВУФ спектроскопии при определении состава веществ и материалов.

Основные результаты работы по исследованию анализаторов основных компонентов атмосферы на поглощении ВУФ излучения сформулированы в выводах.

Основные положения, защищаемые автором:

1. Метод поглощения излучения в ближней ВУФ области позволяет решить задачу экспресс-анализа состава атмосферы в широком диапазоне концентраций кислорода и водяного пара.

2. Реализация способа измерения концентрации кислорода и водяного пара в воздухе может быть осуществлена путем создания быстродействующего оптического недисперсионного датчика с ВУФ источником.

3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований позволили установить, что для обеспечения оптимальных по избирательности и линейности выходных характеристик в качестве источников ВУФ излучения для датчика концентрации кислорода следует использовать ксеноновую резонансную лампу, излучающую на длине волны 147 нм, а для датчика концентрации водяного пара - гелиевую лампу со следами водорода, излучающую на длине волны 121,6 нм, а также комбинацию нерезонансных и резонансных ВУФ ламп, при этом толщина поглощающего слоя анализируемой пробы должна быть в интервале 0,3 — 1 мм.

4. Разработанные принципы построения анализаторов кислорода и водяного пара для различных спектральных участков областей ВУФ области излучения, обеспечивающие измерение концентрации кислорода и водяного пара на уровне, соответствующем концентрациям в приземном слое атмосферы, с погрешностью не более 5 % при их одновременном присутствии в анализируемой пробе.

5. Впервые созданы экспериментальные образцы ВУФ-анализаторов на кислород и водяной пар с источниками излучения различных типов с монохроматическим излучением на длинах волн 121,6 нм, 123 нм и 147 нм, а также с многолинейчатым спектром в диапазоне 121,6 — 160 нм, предназначенные для определения состава атмосферы и исследования быстропротекающих процессов.

6. Возможность метрологического обеспечения ВУФ анализаторов в условиях эксплуатации без использования эталонных газовых смесей и генераторов влажного воздуха путем применения расчетных градуировочных характеристик на основе стандартных справочных данных о сечениях поглощения кислорода и водяного пара.

Работа выполнена на кафедре экологического приборостроения и мониторинга Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики (СПбГУ ИТМО).

Апробация работы

Результаты работы обсуждались на следующих семинарах и конференциях:

• XXXII научная и учебно-методическая конференция профессорско-преподавательского состава (ППС) СПбГУ ИТМО, Санкт-Петербург, февраль, 2003 г.

• XXXIII научная и учебно-методическая конференция ППС СПБГУ ИТМО, Санкт-Петербург, февраль, 2004 г.

• XXXIV научная и учебно-методическая конференция ППС СПБГУ ИТМО, Санкт-Петербург, февраль, 2005 г.

• VI Международная конференция «Прикладная оптика» в рамках Международного конгресса «Оптика XXI век», Санкт-Петербург, октябрь, 2004 г.

• Международная конференция «Приборостроение в экологии и безопасности человека», Санкт-Петербург, ноябрь, 2004 г.

• Международная научно-техническая конференция «Наука и образование - 2005», Мурманск, апрель, 2005 г.

Кроме того, результаты диссертационной работы обсуждались на семинарах аспирантских работ в СПб ГУ ИТМО, в СПб ГУ технологии и дизайна, на научно-техническом совете фирмы «ТКА».

Основные результаты работы по исследованию анализаторов основных компонентов атмосферы на поглощении ВУФ излучения можно сформулировать следующим образом:

1. Разработаны теоретические основы метода экспресс-анализа состава атмосферы по поглощению вакуумного ультрафиолетового излучения при наличии нескольких поглощающих компонентов и при использовании ВУФ источников с монохроматическим и немонохроматическим излучением;

2. Созданы установки для экспериментального исследования метрологических и технических характеристик ВУФ датчиков концентрации кислорода и водяного пара, на основе вакуумного спектрографа, юоветного блока датчика с переменной длиной поглощающего слоя пробы, высокоточных анализаторов кислорода и водяного пара, источников эталонных газовых смесей и генератора влажности.

3. Исследованы эксплуатационные и метрологические характеристики оптического гигрометра ТКА-МК, имеющего ВУФ датчик концентрации водяного пара с лампой JITB-1, выявлены источники погрешности от влияния не измеряемых компонентов.

4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований позволили установить, что для обеспечения оптимальных по избирательности и линейности выходных характеристик в качестве источников ВУФ излучения для датчика концентрации кислорода следует использовать ксеноновую резонансную лампу, излучающую на длине волны 147 нм, а для датчика водяного пара - гелиевую лампу со следами водорода, излучающую на длине волны 121,6 нм, а также комбинацию нерезонансного и резонансных ВУФ источников, при этом толщина поглощающего слоя должна быть в интервале 0,3 — 1 мм.

5. Разработаны принципы построения анализаторов кислорода и водяного пара с заданными метрологическими и техническими характеристиками на основе использования различных спектральных участков областей ВУФ излучения, обеспечивающие измерение концентраций кислорода и водяного пара при их одновременном присутствии в анализируемой пробе.

6. Впервые созданы экспериментальные образцы ВУФ-анализаторов на кислород и водяной пар с источниками излучения различных типов с монохроматическим излучением на длинах волн 121,6 нм, 123 нм и 147 нм, а также с многолинейчатым спектром в диапазоне 121,6 — 160 нм, предназначенные для определения состава атмосферы и исследования быстропротекающих процессов, с погрешностью не более 5 %.

7. Доказана возможность метрологического обеспечения ВУФ анализаторов в условиях эксплуатации без использования эталонной газовой смеси и генераторов влажности воздуха путем применения расчетных градуировочных характеристик на основе стандартных справочных данных о сечениях поглощения кислорода и водяного пара.

8. Разработаны и внедрены практические рекомендации по использованию ВУФ датчика концентрации водяного пара в составе эталонного пирометрического комплекса аппаратуры ВНИИМ им. Д.И.Менделеева для контроля стабильности концентрации водяного пара в создаваемой комплексом эталонной газовой смеси в процессе воспроизведения единицы влажности.

9. Разработан лабораторный практикум в рамках дисциплины «Оптико-электронные методы и средства экологического мониторинга», включающий лабораторные работы по исследованию метрологических и технических характеристик ВУФ датчиков концентраций кислорода и водяного пара.

1. Унзольд К. Физика звездных атмосфер.- М.: ИЛ, 1949. 630 с.

2. Ультрафиолетовая радиация Солнца и неба /В.А.Белинский, М.П.Гараджа, Л.М. Меженная, Е.И. Незваль-М.: МГУ, 1968. 228 с.

3. МИ 2001-89. ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерений содержания компонентов в газовых средах. М.: Изд-во стандартов, 1990. 11 с.

4. Козлов М.Г., Конопелько Л.А., Нехлюдов И.Б. Государственный первичный эталон единицы концентрации компонентов в газовых средах //Измерительная техника. 1990. № 7. С. 58 61.

5. Горелик Д.О., Конопелько Л.А. Мониторинг загрязнения атмосферы и источников выбросов. Аэроаналитические измерения. М.: Изд-во стандартов. 1992. 432 с.

6. Бегунов А.А., Конопелько Л.А. Физико-химические измерения состава и свойств веществ. Л.: Изд-во стандартов.- 1984.- 143 с.

7. Бегунов А.А. Теоретические основы и технические средства гигрометрии: Метрологические аспекты. М.: Изд-во стандартов. — 1988. -350 с.

8. Павленко В.А. Газоанализаторы. М.-Л.: Машиностроение. 1965. -210 с.

9. Ю.Козлов М.Г. Оптический влагомер на поглощении ВУФ излучения

10. Сборник трудов IV Всесоюзной конференции по измерениям влажности. 1988. С. 68 - 74.

11. П.Зайдель А.Н., Шрейдер Е.Я. Вакуумная спектроскопия и ее применение. М.: Наука. 1976. 431 с.

12. Козлов М.Г. Спектры поглощения паров металлов в вакуумном ультрафиолете. М.: Наука, 1981. 393 с.

13. Тернов И.М., Михайлин В.В. Синхротронное излучение: теория и эксперимент. М.: Энергоатомиздат, 1986.- 295 с.

14. М.Тернов И.Н., Михайлин В.В., Халилов В.Р. Синхротронное излучение и его применение. — М.: Изд-во МГУ, 1985. 264 с.

15. Шишацкая Л.П. О возможности использования окон из фтористого лития в водородных лампах //Оптико-механическая промышленность. 1964, № 12. С. 33-36.

16. Heath D. F., Sacher Р.А. Effects of a simulated High-Energy Space Environment on the Ultraviolet Transmittance of Optical Materials between 1050 and 3000 A //Appl. Opt. 1966, vol. 5, № 6. - P. 937 - 939.

17. Влияние вакуумного ультрафиолетового излучения на пропускание кристаллов фтористого лития и фтористого магния /Шишацкая Л.П., Цирюльник П.А., Рейтеров В.М., Сафонова Л.Н. //Оптико-механическая промышленность. 1972, № 10. С. 69 70.

18. Рейтеров В.М., Сафонова Л.Н., Шишацкая Л.П. Влияние термообработки на пропускание окон из фтористых кристаллов в вакуумной ультрафиолетовой области спектра // Оптико-механическая промышленность. 1976, № 7. С. 43 45.

19. Нагибина И.М., Михайловский Ю.К. Фотографические и фотоэлектрические спектральные приборы и техника эмиссионной спектроскопии. Л.: Машиностроение. Ленинградское отделение, 1981. -247 с.

20. Спектроскопические методы определения следов элементов /Под ред. Дж. Вайнфорднера. М.: Мир, 1979. 494 с.21.3айдель А.Н., Островская Г.В., Островский Ю.И. Техника и практика спектроскопии.-М.: Наука, 1976.392 с.

21. Герасимов Ф.М. Развитие работ по дифракционным решеткам в ГОИ //Труды ГОИ. 1965. Т. 29, вып. 158. С. 55 - 61.

22. Исследование источника света с накаленным оксидным катодом для области спектра 400 700 А. /Герасимова Н.Г. Гусев Д.А., Мищенко Е.Д., Старцев Г.П. //Оптико-механическая промышленность. 1964, № 7. С. 34-38.

23. Шишацкая Л.П. Об использовании неона и гелия в водородных и дейтериевых лампах //Журнал прикладной спектроскопии. 1972. Т. 16, 2. С. 253.

24. Шишацкая Л.П. Усовершенствование дейтериевых ламп с открытым анодом //Оптико-механическая промышленность. 1983, № 5. С. 44.

25. Источники сплошного спектра для вакуумной ультрафиолетовой области на основе инертных газов /Козлов М.Г., Николаев В.Н., Сидорин К.К., Сидорин В.К., Старцев Г.П. //Оптико-механическая промышленность. 1972, № 10. — С. 36 39.

26. Яковлев С.А. Ксеноновая резонансная лампа //Оптика и спектроскопия. 1963. Т. 14, вып. 5. С. 716-724.

27. Шишацкая Л.П., Яковлев С.А., Волкова Г.А. Газоразрядные лампы для вакуумной УФ-области спектра //Оптический журнал, 1995, №7. С. 72 -74.

28. Шишацкая Л.П. Развитие фотоионизационного детектирования на основе источников излучения с повышенной селективностью //Журнал аналитической химии. 1996. Т. 51, №11, с. 1166.

29. Шишацкая Л.П. Источники вакуумного ультрафиолетового излучения непрерывного действия //Оптико-механическая промышленность. 1984, №9. С. 54-57.

30. Давлетшин Э.Ю. Еще об одном способе получения конденсированной искры в вакууме //Журнал прикладной спектроскопии. 1968. Т. 8, вып. 2. С. 197.

31. Давлетшин Э.Ю., Захаров Л.С., Айдаров Т.К. Об одном способе получения конденсированной искры в вакууме //Журнал прикладной спектроскопии, 1966. Т. 5, вып. 2. С.255.

32. Давлетшин Э.Ю. О процессах поступления вещества электродов и спектральном излучении атомов и ионов в вакуумном искровом разряде //Журнал прикладной спектроскопии. 1986. Т. 45, вып. 5 С. 748 753.

33. Давлетшин Э.Ю., Свентицкий Н.С., Тагнов К.И. Усовершенствование средств возбуждения при спектральном анализе. Л., 1968. С. 9 — 17.

34. Бочкова О.П., Шрейдер Е.Я Спектральный анализ газовых смесей. М.: ГИФМЛ. 1963. 307 с.

35. Линне Р. Методы исследования плазмы. М.: Мир, 1971.- 275 с.

36. Яковлев С.А., Шишацкая Л.П. Источники света, применяемые в спектроскопии //Оптико-механическая промышленность. 1969, №1. С. 53 64.

37. Водородная лампа для оптического гигрометра /Шишацкая Л.П., Шилина Н.В., Хапланов М.Г., Гумбел Й. //Оптический журнал, т. 8, 1996, с.57-59.

38. Скоков И.В. Оптические спектральные приборы. М.: Машиностроение. -1984.-240 с.

39. Справочник по приемникам оптического излучения. /Под ред. Л.З.Криксунова и Л.С.Кременчукского. — Киев: Техника. 1985.

40. Бутслов М.М., Степанов Б.М., Фанченко С.Д. Электронно-оптические преобразователи и их применение в научных исследованиях. М.: Наука, 1978. С.

41. Scibovsky M., Steinman W. Normal — Incidence monochromator for the vacuum ultraviolet radiation from an electron synchrotron //J. Opt. Soc. Of America. 1967, vol. 57. № 1. P. 112-113.

42. Ишанин Г.Г., Панков Э.Д., Челибанов В.П. Приемники излучения. -СПб.: Папирус. 2003. 527 с.

43. Рябцев А.Н., Суходрев Н.К. Исследование отклонения от закона взаимозаместимости у фотографических слоев в вакуумной УФ-области спектра Журнал научной и прикладной фотографии и кинематографии. 1970. Т. 15, вып. 3. С. 167 173.

44. Журба Ю.И., Шпольский М.Р.Фотографические процессы и материалы. М: Высшая школа, 1988. 175 с.

45. Watanabe К., Zelikoff М., Inn E.C.Y. Absorption coefficients of several atmospheric gases. //Air Force Cambridge Res. Center. Tech. Report, 1953, № 53-23.

46. Thompson B.A., Harteck P., Reeves R.R. Ultraviolet absorption coefficients of C02, CO, 02, H20, NH3, NO, S02, CH4 between 1850 and 4000 A. //J. Geophys. Res., 1963. V. 68. P 6431 - 6436.

47. Zelikoff M., Watanabe K., Inn E.C.Y. Absorption coefficients of gases in the vacuum ultraviolet. //J.Chem.Phys, 1953. V. 21. P. 1643 - 1647.

48. Иванов B.C., Чистяков А.Б. Влияние температуры и давления на сечение поглощения молекулярным кислородом резонансного излучения ртути. //Журнал прикладной спектроскопии, 1993. Т.58. С. 213 - 216.

49. Косинская И.В., Старцев Г.П. Сечение поглощения кислорода в вакуумной области спектра. //Оптика и спектроскопия, 1965. Т. 18. — с.735 737.

50. Ишанин Г.Г., Козлов М.Г., Томский К.А. Основы светотехники.— СПб.: Изд-во ООО «Береста». 2004. 292 с.

51. Бреслер П.И. Оптические абсорбционные газоанализаторы и их применение- JL: Энергия. Ленинградское отделение, 1980. 164 с.

52. Шашлов А.Б., Уарова P.M., Чуркин А.В. основы светотехники. — М.: МГУП, 2002. 280 с.

53. Немец В.М., Петров А.А., Соловьев А.А. Спектральный анализ неорганических газов. Л.: Химия, 1988. 240 с.

54. Львов Б.В. Атомно-абсорбционный спектральный анализ. — М.: Наука, 1966.-392 с.

55. Митчелл А., Земанский М. Резонансное излучение и возбужденные атомы.- М.: ОНТИ НКТП, 1937. 285 с.

56. Методы исследования плазмы. Спектроскопия, лазеры, зонды /Под ред. В. Лохте-Хольтгревена. М.: Мир, 1971. 552 с.

57. Спектроскопия газоразрядной плазмы /Под ред. С.Э. Фриша.- Л.: Изд-во ЛГУ, 1971.361 с.

58. Несмеянов А.Н. Давление пара химических элементов. — М.: Изд-во АН СССР, 1961.-396 с.

59. Психрометрические таблицы. Отраслевой руководящий материал РМ 11 012.001-80.-Л.: Изд-во ВНИИЭС. 1980.- 160 с.

60. Ривкин С.А., Александров А.А. Термодинамические свойства воды и водяного пара. Справочник. М.: Энергоатомиздат. 1984. — 80 с.

61. Беспалов Д.П., Козлов В.Н., Матвеев Л.Т. Психрометрические таблицы. Л.: Гидрометеоиздат, 1972. 236 с.

62. Тийт В.М., Шацкина Р.В. Атлас многолинейчатого спектра молекулярного водорода. Таллин: Изд-во АН ЭССР, 1981. - 38 с.

63. Гущин Г.П., Виноградова Н.Н. Суммарный озон в атмосфере. Л.: Гидрометеоиздат, 1983.- 238 с.

64. Козлов М.Г., Кустикова М.А. Определение содержания кислорода и водяного пара в воздухе при измерении в вакуумной ультрафиолетовой области спектра //Известия Вузов. Приборостроение. Т. 48, № 3, 2005, с. 44-47.

65. Козлов М.Г., Кустикова М.А., Томский К.А. Оптические анализаторы состава газовых смесей на поглощении вакуумного ультрафиолета //Сборник трудов VI Международной конференции: Прикладная оптика. 2004. Т. I (2). С. 379 383.

66. Козлов М.Г., Кустикова М.А. Исследование датчиков влажности газов, основанных на поглощении вакуумного ультрафиолетового излучения //Оптический журнал. 2005. Т. 72, №1. С. 14-19.

67. Кустикова М.А. Исследование оптических датчиков компонентов атмосферы по поглощению вакуумного ультрафиолета //Труды

68. Международной конференции: Приборостроение в экологии и безопасности человека. 2004.СП6. С. 177 - 179.

69. Берлинер М.А. Электрические измерения, автоматический контроль и регулирование влажности. — М.: Энергия, 1965. —400 с.

70. Мухитдинов М. Мусаев Э.С. Оптические методы и устройства контроля влажности. М.: Энергоатомиздат, 1986. — 96 с.

71. Красов В.И., Малейко Л.В., Цветков В.А. Инфракрасный газоанализатор двуокиси углерода и водяного пара в атмосфере. //Труды ГГО им. А.И. Воейкова. 1979. Вып. 421. С. 18 26.

72. Агасян П.К., Хамракулов Т.К. Кулонометрический метод анализа. — М.: Химия, 1984.- 168 с.

73. К1еу D.L. Stone E.J. Measurement of Water Vapor in the Stratosphere bi Photodissociation with Lya (1216 A) Light //Rev. Sci. Instr.- 1978. Vol. 49, №6.-P. 691-693.

74. Гольберт K.A., Вигдергауз M.C. Курс газовой хроматографии. —М.: Мир, 1988.-Ч. 1.-480 с.

75. Раскошный В.Г., Малков Е.М. Портативный электрохимический газоанализатор кислорода //Измерительная техника. 1983, № 2. С. 53 —54.

76. Игнатьев Б.И., Конопелько JI.A., Нежиховский Г.Р. Количественное описание неопределенности в аналитических измерениях. Перевод документа EURACHEM. СПб: Крисмас, 1997. - 29 с.

77. Кудряшова Ж.Ф., Чуновкина А.Г. Выражение точности средств измерений в соответствии с концепцией «неопределенность измерений» //Измерительная техника. 2003, № 6. С. 22 24.

78. Создание спектральных эталонов чистых газов и газовых смесей для метрологического обеспечения газоанализаторов экологического назначения: Отчет /Науч. рук. Г.Г. Ишанин. //Регистрационный номер 01.2.00106654.СП6.: СПБ ГИТМО (ТУ), 2002. 180 с.

79. Sonntag D. The history of formulations and measurements of saturation water vapour pressure. //Proc. of the 3rd International Symposium on Humidity and Moisture (Teddington: NPL), 1998. Vol. 1. P. 93 102.

80. Samson J.A.R., Carins R.B. Intensity measurements in vacuum ultraviolet Photoionization cross sections of 02 and N2. //J. Opt. Soc. Amer. 1964, vol.55. P. 1035- 1036.

81. Monitoring the Thickness of Thin MgF2 and LiF Films on A1 Reflectance Measurements Using the 1216 A Line of Hydrogen /Hutcheson E., Cox J., Hass G., Hunter W. //Appl. Optics., 1972. Vol. 11, № 7. - P. 1590 - 1593.

82. Roxlo C., Mandl A. Vacuum ultraviolet absorption cross sections for halogen containing molecules. //J. Appl. Phys., 1980, Vol. 51. P.2969 2972.