Экспресс-методы и средства контроля природных сред и веществ на основе комбинированных оптических и ленгмюровских эффектов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат технических наук Бирюков, Владимир Георгиевич

• Бирюков, Владимир Георгиевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бирюков, Владимир Георгиевич

• Стр.

ВВЕДЕНИЕ.

Актуальность.

Цель работы.

Научная новизна.

Основные научные положения, выносимые на защиту.

Практическая значимость.

Достоверность результатов.

Апробация работы и публикации.

Личный вклад.

Структура диссертации.

Содержание диссертации.

ГЛАВА 1.ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЕЩЕСТВ

1.1. Фотометрический метод.

1.2. Рефрактометрический метод.

•> 1.3. Масс-спектрометрический метод.

1.4. Резонансный метод.

1.5. Хроматографический метод.

1.6. Спектральный метод.

ГЛАВА 2. НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

ЖИДКИХ ВЕЩЕСТВ И ПРИМЕСЕЙ В НИХ НА ОСНОВЕ МОНО

И МУЛЬТИМОЛЕКУЛЯРНЫХ СЛОЕВ ЛЕНГМЮРА.

2.1. Краткая историческая справка и общие вопросы получения моно- и мультислоев.

2.2. Исследование монослоев на поверхности воды.

2.3. Технологические аспекты получения Л-Б пленок.

2.4. Выводы к 2 главе.

ГЛАВА 3. НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ

БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕЙ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ ОБНАРУЖЕНИЯ ПРИМЕСЕЙ В АТМОСФЕРЕ И

• ЖИДКИХ СРЕДАХ В ДИАПАЗОНЕ СПЕКТРА 1-12 МКМ.

3.1. Новые варианты оптических систем регистрации излучений исследуемых объектов.

3.2.Погрешности из-за нестабильности температуры эталонного источника излучения

3.3.Погреши ости из-за фона интерференционного фильтра.

3.4.Погрешности из-за изменения коэффициента отражения зеркал оптических систем

3.5 .Погрешности из-за нестабильности частоты модуляции.

3.6.Погрешности из-за неравномерности фронта импульса от источника излучения (несовершенства граней - лопастей модулятора).

3.7.Влияние постороннего немодулированного излучения на параметры приемников CdHgTe(77K).

3.8.Оптический метод исследования жидких сред и примесей в них в диапазоне спектра от 1 до 12 мкм.

3.9.Исследование тонкой структуры пропускания (поглощения) жидких веществ в диапазоне 1-12 мкм.

3.10. Выводы к 3 главе.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АТМОСФЕРЫ,

ЖИДКИХ СРЕД И ВЕЩЕСТВ ПРИ ПОМОЩИ ЭКСПРЕСС-• СРЕДСТВ, СОЗДАННЫХ НА ОСНОВЕ КОМБИНИРОВАННЫХ

ОПТИЧЕСКИХ И ЛЕНГМЮРОВСКИХ) МЕТОДОВ.

4.1. Оптико-электронная система анализатора с разночастотной модуляцией, двухвходовым приемником излучения.

4.2. Обнаружение примесей в веществах при помощи быстродействующего анализатора.

4.3. Сканирующий абсолютный радиометр для измерения низкотемпературных излучений замкнутых объемов и атмосферы, загазованной парами спиртов (этанола).

4.4.Исследование тонкой спектральной структуры пропускания атмосферы, загазованной парами спиртов.

4.5.Система и технология экспресс-анализа на основе моно- и мультимолекулярных структур слоев веществ.

4.6. Комбинированный (спектральный и ленгмюровский) метод определения загрязнений водоемов нефтепродуктами.

4.7. Выводы к 4 главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Экспресс-методы и средства контроля природных сред и веществ на основе комбинированных оптических и ленгмюровских эффектов»

Актуальность. Проблема загрязнений окружающей среды (атмосферы, водоемов, сельхозугодий, лесов, почв и др.), обострившаяся последние два-три десятилетия, требует поиска путей создания сравнительно дешевых и мобильных средств экспресс-анализа сред, их охраны и реабилитации. Эта чрезвычайно тревожная проблема, к сожалению, находит понимание лишь у небольшой части населения Земли и России в частности. Последнее время активные благородные намерения «зеленых» остановить разрушающее воздействие человека на природную среду, пропаганда знаний об экологии Земли приводят к изменению отношений человечества к природе, в школах введены предметы по изучению экологии, создаются кафедры во многих учебных заведениях.

Изучение природной среды осложнено слабым развитием методов исследования и экспериментальной базы по созданию средств контроля и анализа.

Существуют и другие причины, связанные со слабой координацией работ и финансовыми проблемами, чему были посвящены последние научные конференции по мониторингу загрязнений природной среды [1,2].

Эти сложности особенно отягощают решение научных и производственных задач на предприятиях химической, пищевой, энергетической, нефтяной и других отраслей промышленности, которые связаны с большими потребностями исходных продуктов для обеспечения технологических процессов, влияющих на геофизическое и экологическое состояние Земли как планеты. Иногда эти процессы сопровождаются непреднамеренными выбросами отходов производств и сопутствующих загрязнителей в атмосферу, почву, на растительные покровы, в отстойные сооружения, природные водоемы, реки и др., вызывают нежелательные и даже опасные ситуации с жизнеобеспечением работающего персонала и проживающего вблизи предприятий населения [3-5]. Случается, что производственные процессы сопровождаются чрезвычайно сильным негативным воздействием на экологическое состояние природных сред и окрестных территорий, реабилитация которых требует больших затрат или она вообще на современном уровне не удается [6-11].

Еще недостаточно развиты и методы оперативного контроля жидких сред, замутненных минеральными и органическими веществами, при производстве и сжигании углеводородного топлива, при производстве кислот, спиртов, Сахаров и др. Неблагоприятная ситуация сложилась при контроле состава жидких сред, бард, сбраженных продуктов, являющихся кормами для животных. Существующие высокоточные резонансные и хроматографические методы контроля в промышленности часто не пригодны из-за сложности в эксплуатации, большой стоимости и медлительности проведения контрольных операций, поэтому их не всегда можно применить для управленческих функций, когда требуется мгновенная корректировка и исправление технологического процесса. Для этого необходимы экспресс-методы и средства, которые были разработаны, апробированы и предполагаем в дальнейшем использовать их в экологических и гидрометеорологических исследованиях и производственных технологиях.

Цель работы. Диссертационная работа направлена на разработку комбинированных (оптических и ленгмюровских) методов исследования состояния атмосферы и жидких, в том числе мутных сред, на основе современных научно-технических достижений оптико-электроники, физики атмосферы и гидросферы, технологии получения моно- и мультимолекулярных ленгмюровских слоев, которые в совокупности позволили найти новые приемлемые решения по созданию высокочувствительных, надежных, мобильных и сравнительно дешевых средств измерений и получить результаты в виде различных характеристик состояния атмосферы, жидких сред и веществ.

Для достижения этой цели были поставлены и выполнены следующие работы.

-Проведен обзор и проанализированы возможности физико-химических, оптико-физических, ленгмюровских и других методов исследования в задачах обнаружения, распознавания и контроля природных сред и продуктов.

-Выявлена наиболее информативная тонкая спектральная структура поглощения излучения веществами в интервале 1,4-12 мкм.

-Разработаны научно-методические основы построения быстродействующих систем обнаружения веществ в атмосфере, жидких средах и продуктах.

-Разработаны конструкции действующих образцов двухвходового приемника излучения на основе JnSb и CdHgTe (77К) и исследованы их параметры.

-Предложены структурные схемы и созданы образцы клиновых циркулярных интерференционных светофильтров, которые позволяют проводить спектральные исследования веществ одновременно в диапазоне от 1,4 до 12 мкм.

-На основе результатов исследований пропускания излучения атмосферы, загазованной парами спиртов, создан сканирующий радиометр - сигнализатор - для контроля состояния атмосферы в помещениях и дистанционного контроля температуры замкнутых объемов.

-Разработан дистанционный корреляционный экспресс-метод и устройство распознавания загрязнений водоемов нефтепродуктами.

Научная новизна. Диссертационная работа представляет законченное научное исследование, содержащее комплексное решение задачи разработки и построения систем обнаружения, распознавания и исследования состояния атмосферы, жидких, в том числе, мутных сред, продуктов и примесей в них на основе новых оптико-электронных и ленгмюровских методов и экспресс-средств измерений, имеющей важное народнохозяйственное значение в измерительной технике, прикладной физике атмосферы и гидросферы, метеорологии и экологии.

Научная новизна заключается в следующем.

1. Разработан новый метод обнаружения примесей в атмосфере и жидких средах, основанный на одновременной регистрации одинаковых по спектральному составу излучений, прошедших через среду с известным эталонным веществом и среду (среды) с веществами, загрязненными посторонними примесями, зарегистрированных также одновременно. Для реализации этого метода разработана неизвестная ранее оптико-электронная система (ОЭС) - спектроанализатор для обнаружения примесей в веществах, для которой специально разработан высокочувствительный быстродействующий двухвходовый приемник излучения на основе соединений JnSb и CdHgTe, охлаждаемый жидким азотом.

Применение двухвходового приемника в ОЭС позволяет создать двухлучевую дифференциальную схему с одноканальным выходом, что дает возможность существенно повысить точность измерений, увеличить быстродействие, упростить систему и повысить ее надежность в эксплуатации. Такая система имеет идентичные элементы в опорном и исследуемом каналах и влияние на приемник посторонних излучений одинаково сказывается на характеристики обоих каналов, таким образом отношение сигналов в исследуемом и опорном (эталонном) каналах остается постоянным.

В двухвходовом приемнике излучения установлены охлаждаемые жидким азотом диафрагмы, выполненные в виде цилиндров с отверстиями, представляющие бленды, ограничивающие влияние постороннего немодулированного излучения (засветки) на пороговую и вольтовую чувствительность оптико-электронной системы, что приводит также к повышению точности измерений излучающих (поглощающих) объектов и позволяет использовать измерительную систему в нетермостабилизированной среде.

В оптико-электронной системе измерений характеристик природных сред используется излучатель - модель абсолютно-черного тела, выполненный в виде глобара, излучение от которого селектируется специально разработанным клиновым циркулярным высококонтрастным интерференционным светофильтром в диапазоне от 1,4 до 12 мкм или турелью с сверхузкопосными интерференционными светофильтрами, что приводит к повышению функциональных возможностей оптико-электронной системы измерений: увеличению рабочего спектрального диапазона, использование которого позволяет обнаруживать присутствие посторонних примесей в веществах, уменьшить время экспресс-анализа.

На оптико-электронную систему (спектроанализатор МПК- 7 G01 J 3/28) по заявке №2003104964/28(005317) от 20.02.2003 г. получен патент на изобретение №2230229 от 10 июля 2004 г.

2. Для определения степени взрывобезопасности загазованной атмосферы рабочих помещений и спиртохранилищ проведены оценки опасных уровней концентраций паров спиртов, впервые определены их коэффициенты пропускания в интервале 8-11,5 мкм. По результатам исследования спектрального поглощения (пропускания) загазованной атмосферы разработана система сигнализации (предупреждения и оповещения работающего персонала) на основе малогабаритного сканирующего радиометра.

3.Разработан новый комбинированный корреляционный метод и система обнаружения нефтепродуктов и других веществ на поверхности водоемов, содержащая многоканальный - четырехканальный радиометр с каналами на интервалы длин волн: 1)1,2-1,4; 2)1,5-1,7; 3), 4)8-13 мкм с пороговой чувствительностью не хуже 10"7 Вт -см"2 -ср'1- мкм"1 в 1-ом и 2-ом интервалах и 10'5 Вт -см'2 ср"1- мкм"1 в 3-ем и 4-ом интервалах (спектральная яркость пленки из нефтепродуктов на воде толщиной 20-50 мкм при солнечном освещении колеблется в пределах от 10"6 Вт •см"2 -ср"1- мкм'1 до 4-10"4 Вт -см"2 -ср"1, мкм"1, а ночью в диапазоне 8-13 мкм достигает яркости -4-10"4 Втсм'2 •cp''-мкм"1), и устройство для определения концентраций нефтепродуктов на поверхности воды и других примесей на основе метода поверхностного натяжения.

Создана установка для распознавания примесей в жидких, в том числе и мутных средах на основе моно и мультимолекулярных ленгмюровских слоев, позволяющая в более короткие сроки, по сравнению с другими средствами измерений, определять наличие примесей в средах и продуктах.

Получены результаты исследований загрязнений водных поверхностей нефтепродуктами при помощи ленгмюровского экспресс-метода по зависимости поверхностного давления от площади, занимаемой молекулярным слоем, определены л ^ предельные концентрации загрязнений поверхности воды площадью =200 см до 10"" ml, что по чувствительности сравнимо с весьма сложными резонансными и хроматографическими методами.

Основные научные положения, выносимые на защиту

1.Новый высокоточный метод и неизвестная ранее оптико-электронная система распознавания и анализа примесей в атмосфере и веществах на основе специально разработанного двухвходового приемника излучения из JnSb и CdHgTe (77К) с повышенной чувствительностью, селективного излучателя с широким спектром излучения, содержащего модель абсолютно черного тела, выполненного в виде глобара, и кольцевого (циркулярного) высокоразрешающего интерференционного светофильтра на диапазон 1,4-12 мкм с интервалами: 1,4-2,4; 2,4-3,8; 3,7-5,9; 7,0-12 мкм и многочастотного растрового устройства.

2. Быстродействующая оптико-электронная система обнаружения низкотемпературных источников излучений, результаты исследований состояния атмосферы помещений, загазованной парами спиртов, с системой выдачи команд на функционирование устройства контроля и управления технологическим процессом.

3.Предложенный новый комбинированный дистанционный корреляционный оптический метод, экспериментальные результаты обнаружения нефтепродуктов на

• водной поверхности и устройство определения примесей в жидких средах (в том числе и мутных) на основе поверхностного натяжения жидкости и ленгмюровских моно и мультимолекулярных слоев.

Практическая значимость Диссертация выполнена на основе работ, проводившихся по планам Росгидромета, и внутренним планам ГУ НПО «Тайфун» и ОАО «Талвис» в 1992-2003 гг. Она была стимулирована повышающимися требованиями заказчиков и потребителей к контролю качества продукции, к созданию новых современных технологий производства, к модернизации существующих технологий создания средств измерений характеристик атмосферы, жидких сред и веществ, улучшения экологического состояния окружающей природной среды района производства продукции и производственных помещений.

1.Выявлена наиболее информативная тонкая спектральная структура поглощения (пропускания) молекул С-Н, О-Н в интервалах 1,4-12 мкм: воды, спиртов, сивушного масла, их растворов.

2.Создан быстродействующий спектроанализатор, защищенный патентом РФ на изобретение №2230299 от 10.06.2004 г.

3.Впервые исследована загазованная парами спиртов атмосфера а замкнутых объемах в диапазоне 8-11,5 мкм. На основе этих исследований создан сканирующий радиометр - сигнализатор для определения взрывоопасных и пожароопасных уровней кондетрадий паров спиртов в рабочих помещениях.

Работы, выполненные автором самостоятельно и в соавторстве, используются во многих разработках НПО «Тайфун», ОАО «Талвис», Военном университете войсковой ПВО ВС РФ, Всероссийском научно-исследовательском институте сельскохозяйственной метеорологии (подтверждено актами внедрения - см. приложение) и могут использоваться в учреждениях Росгидромета, Министерства природных ресурсов, Министерства сельского хозяйства, в предприятиях оптического, гидрометеорологического, геофизического и экологического профиля.

Достоверность результатов Полученные в диссертации результаты имеют всестороннее научное обоснование и аргументацию, основанных на статистически обеспеченных данных измерений, анализе современных методов и научно-технических достижений, разработанных макетов узлов, блоков и элементов аппаратуры, многие из которых являются новыми, высококачественными, имеют высокие технические и эксплуатационные параметры, метрологически обеспеченные и успешно работают в макетах.

Апробация работы и публикации Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались: на Пятом совещании по распространению лазерного излучения в дисперсной среде (г. Обнинск, 1992 г.); на XII Межреспубликанском симпозиуме по распространению излучения в атмосфере и водных средах (г. Томск, 1993 г.); на I и II Международных симпозиумах «Оптика атмосферы и океана» (г. Томск, 1994 и 1995 гг.); на Всероссийской конференции (с международным участием) «Микроклимат ландшафтов» (С.-Петербург, 1995 г.); на Научных конференциях по результатам исследований в области гидрометеорологии и мониторинга загрязнения природной среды (г. Москва, 1996 г.; г. С.-Петербург, 2002 г.); на Всероссийской конференции по физике облаков и активным воздействиям на гидрометеорологические процессы (г.Нальчик, 1997 г.); на Международной конференции «Прикладная оптика-98» (С.-Петербург, 1998 г.). на VIII Международном симпозиуме «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (г. Иркутск, 2001); на Всероссийской научной конференции «Дистанционное зондирование земных покровов и атмосферы аэрокосмическими средствами» (г. Муром, 2001 г.); на Всероссийской конференции по «Физике облаков и активным воздействиям на гидрометеорологические процессы» (г.Нальчик, 2001г.).

- на Международном симпозиуме стран СНГ по атмосферной радиации (С.Петербург, июнь 2002 г.);

- на XIV Международном симпозиуме по молекулярной спектроскопии высокого разрешения (Красноярск, июль 2003 г.);

- на XII В оенно-научной конференции «Развитие теории и практики строительства и применения войсковой ПВО в системе вооруженной борьбы ВС РФ» (Смоленск, апрель 2004 г.);

- на Международном симпозиуме стран СНГ «Атмосферная радиация». (С.Петербург, июнь 2004 г.).

Результаты диссертации опубликованы в шести статьях, опубликованных в реферируемых источниках, одиннадцати расширенных тезисах докладов и докладах, в описании изобретения [12-26, 122,123].

Личный вклад диссертанта заключается в непосредственном участии в работах на всех этапах исследований, включая постановку задачи, разработку конструкций элементов и узлов оптико-электронной аппаратуры, проведение лабораторных и натурных исследований атмосферы, жидких сред и веществ и анализ результатов, написание текстов статей и докладов на конференции и симпозиумы, в создании изобретения.

Структура диссертации: Диссертация состоит из введения, четырех глав,

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Бирюков, Владимир Георгиевич

4.7. Выводы к 4 главе

- Разработаны метод и структурно-функциональная схема и узлы макета оптико-электронной системы (спектроанализатора) обнаружения примесей в атмосфере и жидких средах по пропусканию излучения (поглощению). Макет системы отличается от известных тем, что в нем используется специально разработанные двухвходовые приемники излучения на основе соединений JnSb и CdHgTe(77K), охлаждаемые жидким азотом, многочастотный растр-модулятор, позволяющий модулировать одновременно излучения, проходящие через несколько кювет с исследуемыми веществами (в исследуемом и в опорном каналах) и широкодиапазонный источник излучения, выполненный на основе модели абсолютно черного тела с интерференционными циркулярными фильтрами электромагнитного излучения от 1,4 до 12 мкм, выполненных на 90-градусных секторах и сверхузкополосные (с разрешением до единиц ангстрем) интерференционные светофильтры (пары фильтров) на полосы поглощения исследуемых веществ в опорном и исследуемом каналах.

Выявлены длины волн, на которых примеси воды (6,1, 6,4, 6,5 мкм) и сивушного масла (9,9, 10,0, 10,3 мкм) в этаноле ГОСТ 5962-67 надежно распознаются по изменению коэффициента пропускания (поглощения).

- Создан макет быстродействующего сканирующего радиометра для дистанционного контроля атмосферы в рабочих помещениях и температуры низкотемпературных излучений больших замкнутых объемов с автоматической системой выдачи команд управления технологическим процессом (команд на подогрев, охлаждение, поддержание температуры в заданном интервале температур и заданном временном интервале - до нескольких суток).

Впервые в практике проведены исследования тонкой структуры пропускания (поглощения) излучения паров этанола в диапазоне 8-11,5 мкм при различных концентрациях и различных длинах трассы от 5 до 100 м. На основе измеренных спектров с целью взрывобезопасности и пожаробезопасности разработана сигнальная система о состоянии атмосферы в производственных помещениях.

- Модернизирована установка для контроля жидких, в том числе и замутненных водных сред (растворов) на основе моно- и мультимолекулярных ленгмюровских слоев.

Получены данные о концентрациях нефтепродуктов в различных водоемах до с л

10" ml на поверхности 200 см . Измерены поверхностное давление в (Н/м) различных жидкостей (более 10). Показано, что измерения примесей в жидких веществах методом поверхностного натяжения можно проводить в различных натурных условиях, метод не уступает высокочувствительным резонансным и хроматографическим методам по чувствительности, прост в эксплуатации, «быстр», сравнительно дешев и может широко использоваться в научных и производственных лабораториях, на постах гидрометслужбы, в экологических задачах и в сельском хозяйстве.

- Разработан дистанционный корреляционный метод обнаружения нефтепродуктов на поверхности воды. Он может быть применен как днем при солнечном освещении, так и ночью по отраженному собственному излучению неба от нефтяной пленки.

Метод и устройство (четырехканальный радиометр) для обнаружения нефтепродуктов может быть использован для контроля состояния водной поверхности в окрестностях нефтеналивных станций, курортных зон, нефтепроводов под водой, загрязненных водоемов, русел рек.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации приведены следующие основные результаты.

-Проведен краткий обзор и анализ физико-химических, оптико-физических, резонансных и других методов, применяемых при исследованиях атмосферы, воды и других жидких сред, веществ и примесей в них, оценены их достоинства и недостатки при использовании их в натурных условиях, научных и производственных лабораториях.

-Подробно освещен ленгмюровский метод исследования моно- и мультимолекулярных слоев веществ, показано, что по своей чувствительности он не уступает хроматографическим, масс-спектрометрическим и резонансным методам, является весьма дешевым, доступным для широкого применения, как экспресс-метод и в совокупности с спектральными (оптическими) методами может использоваться как наиболее предпочтительный в технологических процессах при измерениях физических свойств жидких, в том числе загрязненных (мутных) сред минеральными частицами и жидкими примесями. Особенно перспективен в натурных условиях для контроля загрязненных жидких сред, растворов, содержащих спирты, кислоты и другие примеси.

-Разработаны научно-методические основы создания быстродействующей оптико-электронной аппаратуры контроля состояния атмосферы, жидких сред, технических (кислот, водных растворов, спиртов и др.) продуктов на основе специально разработанных: двухвходовых приемников излучения из JnSb и CdHgTe(77K); широкодиапазонного (по спектру длин волн) излучателя, содержащего модель абсолютно черного тела в виде глобара и циркулярных клиновых интерференционных фильтров электромагнитного излучения; сверхузкополосных (до единиц ангстрем) интерференционных светофильтров; многочастотного растра-модулятора и других элементов аппаратуры.

С целью повышения точности измерений оценены основные погрешности, которые могут возникнуть при измерениях физических параметров атмосферы, жидких сред и веществ спектрорадиометрическими средствами, связанных:

-с влиянием постороннего немодулированного излучения на параметры приемника излучения ;

-с фоном интерференционных фильтров электромагнитного излучения вне полосы пропускания;

-с несовершенством изготовления лопастей (граней) модулирующих устройств -частотных растров;

-с нестабильностью источников излучения при энергетической градуировке оптико-электронных средств измерений;

-с изменением коэффициентов отражения (собственного излучения) оптических элементов оптико-электронной аппаратуры.

Создан спектроанализатор на диапазон 1,4-12 мкм. Определены значения концентраций примесей в различных веществах по их пропусканию (поглощению).

Показана возможность его широкого использования для контроля газообразных и жидких сред.

На оптико-электронную систему (спектроанализатор МПК- 7 G01 J 3/28) по заявке №2003104964/28(005317) от 20.02.2003 г. получен патент на изобретение №2230229 от 10 июля 2004 г.

- Выявлена наиболее информативная тонкая структура поглощения спектров молекул групп С-Н, О-Н в интервалах диапазона 1,4-12 мкм: воды, спиртов, сивушного масла, их растворов. Проведен анализ спектров, определены интервалы длин волн, в которых эти вещества (чистые и загрязненные) сравнительно проще распознаются корреляционными (оптическими) и ленгмюровскими методами.

- Впервые получены результаты исследований поглощения излучения парами спирта этанола в диапазоне 8-13 мкм, определено их пропускание на различных длинах трасс при различных концентрациях.

- Для определения степени взрывобезопасности и пожаробезопасности загазованной атмосферы рабочих помещений и спиртохранилищ проведены оценки опасных уровней концентраций паров спиртов. По результатам исследования спектрального поглощения (пропускания) загазованной атмосферы создан сканирующий радиометр для дистанционного контроля: состояния атмосферы в производственных помещениях и в районе расположения производственных зданий; температуры низкотемпературных (более десяти) источников излучения и управления технологическим процессом в временном интервале от часа до нескольких суток с выдачей команд на изменение технологического процесса, его корректировку и остановку.

- Разработан дистанционный корреляционный метод оценки загрязнений водоемов нефтепродуктами при помощи многоканального радиометра, состоящего из четырех независимых радиометров с совмещенными полями зрения, позволяющего обнаруживать отраженное солнечное и собственное излучение неба от пленки из нефтепродуктов как в «спокойных» условиях, так и в условиях взволнованной водной поверхности.

- Модернизирован макет установки по определению примесей в жидких средах, в том числе и мутных, методом ленгмюровских моно- и мультимолекулярных слоев, показаны пути высадки ленгмюровских слоев на твердые подложки для последующего спектрального анализа примесей в веществах.

- Получены результаты исследований загрязнений воды нефтепродуктами (до 10"5 т£ на поверхности =200 см2), спиртов, их растворов и других жидких продуктов.

- Результаты диссертационной работы широко используются в ГУ НПО «Тайфун» (Росгидромет), ОАО «Талвис», в Военном университете войсковой ПВО ВС РФ, в Всероссийском научно-исследовательском институте сельскохозяйственной метеорологии (подтверждено актами внедрения) и могут использоваться на предприятиях Росгидромета, Министерства природных ресурсов, Министерства сельского хозяйства, экологического, гидрометеорологического и приборостроительного профиля.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Бирюков, Владимир Георгиевич, 2004 год

1. Материалы науч. конф. по результатам исследований в области гидрометеорологии и мониторинга загрязнения природной среды: Тез. докл. М., Гидрометеоиздат, 1996. -77 с.

2. Материалы науч. конф. по результатам исследований в области гидрометеорологии и мониторинга загрязнения природной среды в государствах участниках СНГ. посвященной 10-летию образования МСГ: Тез. докл. С.-П., Гидрометеоиздат, 2002. -172 с.

3. Клещенко А.Д. Агрометеорологическая диагностика состояния посевов сельскохозяйственных культур с применением дистанционных методов: Дис. . д-ра геогр. наук. С.-П., 1992. - 312 с.

4. Экологические проблемы и риски воздействий ракетно-космической техники на окружающую природную среду/ Справочное пособие. Под ред. В.В.Адушкина, С.И.Козлова, А.В.Петрова// М., Анкил, 2000. 640 с.

5. Позин А.А. Методы проектирования ракетной экологической системы мониторинга полигона: Дис. . д-ра техн. наук. Обнинск, 1998. - 387 с.

6. Шидловский А.А. Научно-методические основы разработки технических средств и способов проведения ракетных геофизических экспериментов в термосфере и ионосфере: Дис. . д-ра техн. наук. Обнинск, 1985. - 372 с.

7. Шидловский А.А., Тесленко В.П. Анализ современного состояния ракетных исследований атмосферы Земли и тенденций развития исследовательского ракетостроения//Труды ИЭМ. М., Гидрометеоиздат. 1983. Вып. 15(111). С.124-138.

8. Шидловский А. А. Исследование температурного режима и разработка конструкции головных частей исследовательских метеорологических ракет: Дис. . канд. техн. наук. Обнинск, 1970. - 203 с.

9. Бирюков В.Г., Третьяков Н.Д. Сканирующий абсолютный радиометр для измерения низкотемпературных излучений//Труды ИЭМ. С.-П., Гидрометеоиздат, 1995. Вып.25(160). С.132-137.

10. Алленов М.И. Методические вопросы разработки быстродействующей системы обнаружения паримесей в продуктах и природных средах/ М.И.Алленов,

11. A.М.Ашихмин, В.Г.Бирюков/ЛГруды ИЭМ. С.-П., Гидрометеоиздат, 1995. Вып. 25(160). С. 94-102.

12. Алленов М.И. Метод определения качества продуктов и состояния природных сред на основе ленгмюровских пленок/ М.И.Алленов, В.Г.Бирюков, С.Г.Юдин// Труды ИЭМ. С.-П., Гидрометеоиздат, 1995. Вып. 26(161). С. 106-112.

13. Комбинированный метод определения оптико-физических свойств жидких сред /М.И.Алленов, В.Г.Бирюков, А.Д.Доброзраков, Г.А.Савин, С.Г.Юдин// Всерос. конф. «Микроклимат ландшафтов»: Тез. докл. С.-П., 1995. С. 12.

14. Алленов М.И., Бирюков В.Г. Оптический метод исследования веществ в продуктах и природных средах в ИК диапазоне спектра//Труды ИЭМ. С.-П., Гидрометеоиздат, 1996. Вып. 26(161). С. 113-119.

15. Спектроанализатор: Патент. №2230299 Россия, 7 G01 J 3/28/ М.И.Алленов,

16. B.Г.Бирюков, В.Н.Иванов (Россия). Бюлл. №16,2004.

17. Алленов М.И. Спектрорадиометрическая аппаратура для оперативного контроля состояния атмосферы и определения примесей в продуктах/ М.И.Алленов, В.Г.Бирюков, Н.Д.Третьяков//Материалы I Межреспубл. симпоз. «Оптика атмосферы и океана». Томск, 1994. С.200.

18. Результаты экспериментальных исследований радиационно-активных составляющих атмосферы в центре Евразии/ Ф.В.Кашин, В.Н.Арефьев, К.Н.Вишератин, Н.Е.Каменоградский, В.К.Семенов, В.П.Синяков// Физика атмосферы и океана, 2000. -Т. 35, №4. С.463-492.

19. Смеркалов В.А. Прикладная оптика атмосферы/ С.-П., Гидрометеоиздат, 1997. 334 с.

20. Бахшиев Н.Г. Введение в молекулярную спектроскопию/ Л., Наука, 1974. 182 с.

21. Козицына J1.A., Куплетская М.Б. Применение УФ, ИК и ЯМР -спектроскопии в органической химии/ М., Высшая школа, 1971. 264 с.

22. Лурье А.А. Сорбенты и хроматографические носители/ М., Химия, 1971. 648 с.

23. Каталог химических реактивов и высокоточных химических веществ/ М., Химия, 1971. 648 с.

24. Мусакин А.П. Оборудование химических лабораторий/ А.П.Мусакин, Ф.Ю.Рачинский, К.Д.Суглобова/ Л., Химия, 1978. 480 с.

25. Техника спектроскопии. /Перевод с англ. Под ред. д-ра физ.-мат. наук Т.М.Лифшица// М., Мир, 1870.-400 с.

26. Прикладная инфракрасная спектроскопия/ Перевод с англ. Под ред. Д.Кендалла// М., Мир, 1970.-376 с.

27. Блинов Л.М. Физические свойства и применение ленгмюровских моно- и мультимолекулярных структур//Успехи химии, 1983. -Т.52, №8. С. 1263-1300.

28. Блинов Л.М. Ленгмюровские пленки/Успехи физических наук,1988. Т.155.4^.443-480.

29. Юдин С.Г. Полярные пленки получение и свойства: Дис. . д-ра техн.наук. -М.,1995.-354 с.

30. Ляликов Ю.С. Физико-химические методы анализа /М.,Химия, 1974. 536 с.

31. Идентификация органических соединений/ Р.Шрайнер, Р.Фьюзон, Д.Кертин, Т.Морилл// М., Мир, 1983. 704 с.

32. Фриш С.Э., Тиморева А.Г. Курс общей физики/ М.; Физматгиз, 1961. 608 с.

33. Карякин Н.И. Кратктй справочник по физике/ Н.И.Карякин, К.Н.Быстрое, П.С.Киреев// М., Высшая школа, 1964. 574 с.

34. Аладьев С.И. О расслоении в жидких растворах под действием гравитационных и центробежных полей/ С.И.Аладьев, Л.К.Ливанов, А.Х.Охотин//В кн.: Получение и поведение материалов в космосе. М., Наука, 1978. С. 18-21.

35. Приборы и методы анализа в ближней инфракрасной области/ И.А.Бечкасов, Н.А.Кручинин, А.И.Поляков, В.Ф.Резинкин// М., Химия, 1977. 280 с.

36. Ген А.А. Динамика отражательных характеристик и разработка спектрофотометрических средств определения параметров и продуктов агроценоза: Дис. . канд. техн. наук. Обнинск, 1986. - 146 с.

37. Вопросы физики атмосферы/Сборник статей// С.-П., Гидрометеоиздат, 1998. 516 с.

38. Langmuir I. Overturning and anchoring of monolayers/Science, 1938. Vol.87. 493 p.

39. Langmuir I., Schaefer V.J. / J.Amer.Chem.Soc., 1938, vol.60, 1351 p.; J.Franklin Inst. 6, 1943, 19,235.

40. Langmuir I. The constitution and fundamental properties of solids and liquids/ J.Amer.Soc., 1917,39,1848.

41. Мономолекулярные слои/ под ред. А.Б.Таубмана // М., Наука, 1956.

42. Мягков И.В. Мономолекулярные слои комплексов с переносом заряда автокомплексов с алифатическими радикалами: Автореф. дис. . канд.наук. М., 1986. - 160 с.

43. Реклама KSV Chemical Instruments LTD, J.Mol.Elect.,1989, vol.5, N1, p.l.

44. Трапезников А.А. Температурная зависимость давления монослоев как новый метод исследования кристаллогидратов высших алифатических соединение/ Физ. Химии, 1945. Т. 19. Вып. 4-5. С. 228.

45. Физические величины/Под ред. И.С.Григорьева и Е.З.Мейлихова//М., Энергоатомиздат, 1991. 334 с.

46. Халатур П.Г. Структура полимерных монослоев. Мономолекулярные пленки на границе раздела фаз/Коллоид, журнал,1982. Т.44. Вып.2. С. 299.

47. Халатур П.Г. О поверхностном давлении и ориентированных монослоях поверхностно-активных веществ. Изучение методом Монте-Карло/ Коллоид, журнал, 1983. Т. 45. Вып. 3. С. 602.

48. T.Armen, K.Halperin, P.Dutta, J.B.Ketterson// Rev.Sci.Instrum., 1987. Vol. 58, N5. P. 822.

49. Blodgett K.B. Films by Depositing Succesive Monomolecular Lauers on Solid Surface/ J. Amer. Chem. Soc., 1935. N57. P. 1007.

50. Fromherz P. Instrumentation for Handing Monomolecular Films an Air-Water Interface/ Rev. Sci.Instrum., 1975. Vol.46, N10. 1380 p.

51. Gaines G.L. Ir. Insoluble Monolayers at Liquid-Gas Interfaces/New York: Willey Interscience, 1966. 386 p.

52. A Langmuir through for the production of organic super lattices/ B.Holkroft, M.C.Petty etal. // Thin Solid-Films, 1985,134,1-3, 83.

53. Honig E.P., J.Coll. Interface Sci. 1973. Vol. 43, N1. P. 66.

54. Design of a new L-B Through with the Zone-Heating Mechanism above the Water Surface/ T.Kasuga, H.Kumehara, T.Watanabe, S.Miyata// Thin Solid Films, 1989, 178, 183.

55. Kuhn H. Physical Methods of Chemistry/ H.Kuhn, D.Mobius, H.Bucher// Vol.1, p.Ill В., vol. 11. New York: Willey-Intersciences, 1972. - 577 p.

56. Fabrication of copoly (methacrylic acid-methylacrylate) L-B Films using a moving-wall-type щ L-B Through/ H.Kumehara, T.Rasuga, T.Watanabe, S.Miyata// Thin Solid Films, 1989, 178,175.

57. Адам H.K. Физика и химия поверхностей/М., Гостехиздат,1947- 552 с.

58. Адамсон А.В. Физическая химия поверхностей/ М., Мир, 1979.

59. А.с. N315631, кл. В 44 d 1/04/ А.И.Жуков, Т.А.Кузьмин и др.// Открытия, изобретения, пром. образцы тов. знаков, 1971, .N29, с. 45.

60. Studies of Phase Transitions in Langmuir Monolayers by Fluorescence Microscopy/ B.Moore, C.M.Knobler, D.Broseta, F.RondeIez//J.C.S. Faradey Trans., 1986, pt. 2, 82,1. N10.- 1753 p.

61. Nakahara H., Fukuda K. Orientation Control of Chromophores in monolayer Assemblies of Long-Chain Dyes and the Effects on some Physical Properties/Thin Solid Films, 1983, 99, 45.

62. Smith Т., Serrins R. Monolayers on Water. Erucic Acid Reaction with Copper ions/ J.Coll. Interface Sci., 1967,23, 329.

63. Trurnit H.J. Chemie organ. Naturstoffe, 1945, 4, 375.

64. Алленов М.И. Методы и аппаратура спектрорадиометрии природных сред/М., Гидрометеоиздат, 1992. 264 с.

65. Алленов М.И. Структура оптического излучения природных объектов/М., Гидрометеоиздат, 1988. 164 с.

66. Тимошенко Н.И. Кювета для исследования влияния адсорбции на измерения показателя преломления/ Н.И.Тимошенко, А.Л.Ямнов, Е.П.Холодов// Труды МЭИ. М., 1972.-С.61-63.

67. Арефьев В.Н. Молекулярное поглощение излучения в окне относительной прозрачности атмосферы 8-13 мкм// Изв. АН СССР, серия ФАО, 1991, т. 27, N И, с. 1187-1225.

68. Арефьев В.Н. Спектроскопические исследования влагосодержания атмосферы/

69. B.Н.Арефьев, К.Н.Вишератин, В.П.Устинов// Оптика атмосферы, 1988. Т. 1, N 8.1. C.122-124.

70. Аппаратура для измерения спектроскопическим методом интегрального содержания газов в атмосфере/ В.Н.Арефьев, К.Н.Вишератин, Ф.В.Кашин, В.П.Устинов// Труды ИЭМ. Гидрометеоиздат, 1995. Вып. 25(160). С. 119-125.

71. Kelton J. Infrared Target und Bakground Radiometric Measurements/ Concepts, Units and Technigues. "Infrared Physics". Vol. 3, 1963, N3, p. 139-169.

72. Криксунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники/ М., Советское радио, 1978.-400 с.

73. Бородулин В.П., Соловьев Г.Г. Анализ методов и теории распространения света в дисперсных средах/ В кн.: Получение и поведение материалов в космосе// М., Наука, 1978. С.44-69.

74. Получение и поведение материалов в космосе/ М., Наука, 1978. 248 с.

75. Третьяков Н.Д. Экспериментальные исследования пространственной и спектральной структуры полей яркости кучевой и слоисто-кучевой облачности в спектральном интервале 1,5-5,6 мкм: Дис. канд. физ.-мат. наук. Обнинск, 1985. - 178 с.

76. Харкевич А.А. Спектры и анализ/ М., Физматгиз, 1962. 236 с.

77. Чугунов А.В. Изменчивость яркости небосвода в тепловой области спектра: Дис. . канд. физ.-мат. наук, 1982. -199 с.

78. Дмитриев В.Д. К теории теплового излучения металлов/ЛГеплофизические свойства твердых веществ// М., Наука, 1971. С. 116-121.

79. Измерение параметров приемников оптического излучения/ Н.В.Васильченко,

80. B.А.Борисов, Л.С.Кременчугский, Г.Э.Левин// М., Радио и связь, 1983. 320 с.

81. Павлов А.В. Оптико-электронные приборы/ М., Энергия, 1974. 360 с.

82. Алленов М.И., Рогов Б.М. О влиянии немодулированного излучения на параметры фотосопротивления из Ge:Hg// Оптико-механическая промышленность, 1970. №12.1. C.6-8.

83. Астафьев А.И., Холопов Г.К. Зависимость вольтовой чувствительности сернисто-свинцовых фоторезисторов от фоновой засветки/ Оптико-механическая промышленность, 1969. №10. С. 1-3.

84. Кощавцев Н.Ф. Засветочные характеристики некоторых полупроводниковых приемни-ков/Н.Ф.Кощавцев, А.А.Семенов, Г.К.Кирчевская// Светотехника, 1968. №5. С. 16.

85. Хадсон Р. Инфракрасные системы/ М., Мир, 1972. 315 с.

86. Справочник по инфракрасной технике. /Под ред. У.Волф, Г.Цисис. В 4-х тт. Т. 1. Физика ИК-излучения: Пер. с англ.//М., Мир, 1995. 606 с.

87. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов/ М., Сов. Радио, 1980.-392 с.

88. Методы борьбы с помехами в оптико-электронных приборах/ Н.Ф.Кощавцев,

89. A.А.Семенов, Г.К.Кирчевская, Ю.Г.Якушенков, В.Н.Луканцев, М.П.Колосов// М., Радио и связь, 1981. 180 с.

90. Стохастическая структура полей облачности и радиации/ Под ред. Ю.А.Р.Мулламаа// Тарту, ИФА АН ЭССР, 1972.-281 с.

91. Сергеев Г.А., Янутш Д.А. Статистические методы исследования природных объектов/ Л., Гидрометеоиздат, 1973. 300 с.

92. Росс М. Лазерные приемники/ М., Мир, 1969. 520 с.

93. Стохастическая структура излучения облачности/ A.M.Алленов, М.И.Алленов,

94. B.Н.Иванов, В.А.Соловьев// С.-П., Гидрометеоиздат, 2000,- 175 с.

95. Холопов Г.К. Методика энергетической градуировки радиометрической аппаратуры/ЛРадиация и облачность. Тарту, 1975. С.174-190.

96. Биберман Л.И. Растры в электротехнических устройствах/ М., Энергия, 1969.

97. Левшин В.Л. Пространственная фильтрация в оптических системах пеленгации/М., Советское радио, 1971. 200 с.

98. Шестов Н.С. Выделение оптических сигналов на фоне случайных помех/ М., Советское радио, 1967. 348 с.- 110112. Кондратьев К.Я., Тимофеев Ю.М. Термическое зондирование атмосферы со спутников/ Л., Гидрометеоиздат, 1970. 408 с.

99. Зуев В.Е., Кабанов М.В. Перенос оптических сигналов в земной атмосфере (в условиях помех)/ М., Советское радио, 1977. 368 с.

100. Арефьев В.Н. Систематические измерения концентрации углекислого газа в атмосфере/ В.Н.Арефьев, Н.Е.Каменоградский, Ф.В.Кашин// Изв. АН СССР, серия ФАО, 1990. Т. 26, № 6. С. 584-593.

101. Пинчук С.Д. О перспективе развития подсистемы контроля критических экотоксилогических ситуаций/Труды ИЭМ. М., Гидрометеоиздат, 1991. Вып. 20(153). С.27-37.

102. Дженкинс Г., Ватте Д. Спектральный анализ и его приложения/ М., Мир. Вып. 2, 1972. 288 с.

103. Eguipment for the preparation of polar and heterogeneous Langmuir-Blodgett films/ S.G.Yudin, S.P.Palto, Y.A. Khavrichev, S.V. Mironenko, M.I. Barnik//Thin Solid Films, 210/211, 1992. P.46-47.

104. Козырев Б.П., Бузников A.A. Многокамерное черное тело/ Изв. ЛЭТИ им. Ульянова (Ленина), 1966. Вып. 55. С.87-94.

105. Муравьева С.М. Справочник по контролю вредных веществ в воздухе/ С.М.Муравьева, Н.И.Казнина, Е.К.Прохорова// М., Химия, 1988. 320 с.

106. Просянкина Н.З. Информационно-измерительные системы контроля загрязнения атмосферы за рубежом/Обзор ВНИИГМИ-МЦД. Серия Автоматизация сбора и обработки гидрометеорологической информации. Обнинск: ВНИИГМИ-МЦД, 1985. Вып. 1.-36 с.

107. Проведение экспериментальных исследований по изучению оптических свойств сильнопоглощающих газовых сред/Отчет. Науч. руководитель д-р физ.-мат. наук, профессор В.Н.Арефьев. Обнинск, НПО «Тайфун», 1992 г., 60 с. (Отчет хранится в НПО «Тайфун»).

108. Методы и аппаратура для дистанционного контроля загрязнений природных сред и веществ/ М.И.Алленов, В.Г.Бирюков, В.Н.Иванов, Н.Д.Третьяков, С.Г.Юдин//Международ. симпоз. стран СНГ «Атмосферная радиация»: Тез. докл. -С.-П., 2004. -С.152.

109. Allenov M.I. A Fast-Response Spectrum Analyzer/ M.I.Allenov, V.G.Biryukov, V.N.Ivanov// XlVth Symposium on High Resolution Molecular Spectroscopy HighEus-2003: Abstract of Reports. Tomsk: Institute of Atmospheric Optics SB RAS. P.72(2003).