Самолетный спектрометр на основе перестраиваемых диодных лазеров для измерения концентраций малых газовых примесей в тропосфере тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.30, кандидат наук Кузьмичев, Александр Сергеевич

• Кузьмичев, Александр Сергеевич
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Кузьмичев, Александр Сергеевич

Оглавление

список сокращений

введение

1. современные спектроскопические методы измерения концентраций малых газовых

составляющих

1.1. Методы регистрации газовых примесей

1.2. Особенности метода диодной лазерной спектроскопии

1.3. Использование методов диодной лазерной спектроскопии для измерения концентраций парниковых газов с мобильных платформ

Выводы

2. метод определения концентраций парниковых газов с помощью перестраиваемых диодных лазеров

2.1. Модельные расчеты спектров поглощения парниковых газов в тропосфере

2.2. Моделирование высотных профилей поглощения по методу «Line-by-line»

2.3. Особенности функционирования перестраиваемого диодного лазера

2.4. Фотоприемники для системы регистрации парниковых газов

2.5. Чувствительность ДЛ-спектрометра

2.5.1. Шумы фотоприемников

2.5.2. Шумы диодных лазеров

2.5.3. Шумы оптического тракта спектрометра

2.6. Анализ характеристик спектрометра в зависимости от времени накопления сигнала

2.7. Метод определения концентраций малых газовых составляющих

Выводы

3. разработка самолетного спектрометра на основе перестраиваемых диодных лазеров

3.1. Функциональная схема спектрометра

3.2 Состав блока диодных лазеров

3.2.1. Электроника по управлению диодными лазерами

3.2.2. Фотоприемники

3.2.3. Волоконно-оптические элементы

3.2.4. Реперные кюветы

3.2.5. Диодные лазеры

3.3. Состав кюветного блока

3.3.1. Компьютерная станция для обработки и получения данных

3.3.2. Электрическое питание ДЛ-спектрометра

3.3.3. Система стабилизации давления в аналитической кювете

3.3.4. Многопроходная кювета

3.4. Внешние и внутренние соединения блоков ДЛ-спектрометра

3.4.1. Соединения внутри кюветного блока спектрометра

3.4.2. Соединения внутри электронного блока спектрометра

3.4.3. Внешние соединения

3.5. Схема расположения спектрометра на борту самолета

3.6. Массогабаритные характеристики спектрометра

3.7. Амортизация прибора в стойке

Выводы

4. алгоритм измерений и программное обеспечение

4.1. Принцип записи данных о спектральных линиях

4.1.1.Алгоритм регистрации

4.1.2. Режим временного мультиплексирования трехканальной системы

4.2. Программа управления ДЛ-спектрометром

4.2.1.Программа контроля работы спектрометра и получения данных о концентрациях

4.2.2. Программа измерения шумовых характеристик спектрометра

4.3. Передача данных от спектрометра на бортовой информационно-вычислительный комплекс (БИВК)

Выводы

5. испытания и проверка работоспособности самолетного спектрометра

5.1. Лабораторные исследования параметров аналитических спектральных линий некоторых парниковых газов

5.2. Натурные испытания спектрометра

5.3. Проверка работоспособности спектрометра при различных условиях эксплуатации

5.4. Наземные испытания ДЛ-спектрометра

5.4.1. Калибровочные лабораторные испытания ДЛ-спектрометра

5.4.2. Наземные испытания спектрометра в составе самолета-лаборатории ЯК-42Д

5.5. Первые результаты летных испытаний ДЛ спектрометра

Выводы

заключение

приложения

Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3

Приложение 4

Приложение 5

Приложение 6

Приложение 7

список литературы

Список сокращений

РОС - распределенная обратная связь

УФ - ультрафиолет

ДЛ - диодный лазер

ДЛС - диодная лазерная спектроскопия

ФП - фотоприемник

ИК - инфракрасный

КПД - коэффициент полезного действия

ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь

АЦП - аналого-цифровой преобразователь

ОУ - операционный усилитель

ВОЭ - волоконно-оптические элементы

БИВК - бортовой информационно-вычислительный центр

АПК - аппаратно-программный комплекс

АПН - амортизатор постоянной нагрузки

ОЭС - оптико-электронная система

ПО - программное обеспечение

КБ - конструкторское бюро

АЧТ - абсолютно черное тело

ВНИИФТРИ - Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений

ФЭУ - фотоэлектронный умножитель ГРШ-генерационно-рекомбинационный шум

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Самолетный спектрометр на основе перестраиваемых диодных лазеров для измерения концентраций малых газовых примесей в тропосфере»

Введение

Первой попыткой использования диодных лазеров для газового анализа атмосферы принято считать работу, опубликованную в 1974 году Хинкли ['].

4 I ' **

> , т

Первые отечественные работы по применению методов диодной лазерной спектроскопии для высокочувствительного газоанализа и исследования состава атмосферы были проведены в 70-80 гг. в Центральной Аэрологической Обсерватории. За прошедшие годы были разработаны и успешно апробированы методы диодной лазерной спектроскопии для контроля содержания окиси углерода, хлорфторуглеродов (ХФУ-11, ХФУ-12), метилхлороформа и ряда других примесей в атмосфере [2,3]. Работы по этому направлению проводились ЦАО в содружестве с коллективами ученых Академии наук СССР [4,5]. В упомянутых работах дается описание спектрометра на основе перестраиваемых по частоте полупроводниковых лазеров, современное название которых -диодные. Этот прибор был первым отечественным спектрометром для измерения концентраций СО в оперативном режиме.

Главным достоинством диодных лазеров (ДЛ) по сравнению с другими лазерными источниками излучения является возможность широкодиапазонной перестройки частоты излучения ДЛ достаточно простыми аппаратными средствами. Частоту излучения ДЛ можно изменять в достаточно широких пределах (-100 см"1) с помощью изменения рабочей температуры лазера. Важными преимуществами диодных лазеров в сравнении с другими типами лазеров являются: малые размеры, большой диапазон длин волн и относительно малая себестоимость. За счет узкой ширины линии генерации диодного лазера возможно сканирование слабых линий поглощения основных парниковых газов в большом (около 104) динамическом диапазоне. При работе в лаборатории, по КПД и диапазону перестройки с диодными лазерами могут сравниться лазеры на красителях, однако использование их в полевых условиях, в том числе на мобильных платформах крайне неудобно.

Развивая метод измерения концентраций парниковых газов и их изотопов с помощью диодных лазеров для определения высотных профилей концентраций с улучшенными качественными и количественными характеристиками, в данной работе был разработан метод и реализован экспериментальный образец спектрометра, предназначенного для использования на самолете-лаборатории. Создание самолета началось в 2009 году ЦАО, совместно с ЭМЗ им. В. М. Мясищева по заказу Росгидромета на базе пассажирского лайнера ЯК-42Д[6]. Среди научного оборудования для измерения параметров атмосферы, присутствует комплекс приборов по изучению парниковых газов и малых газовых

п

составляющих[ ]. Одним из приборов этого комплекса является экспериментальный образец спектрометра на основе перестраиваемых диодных лазеров.

Целью работы является разработка и изготовление экспериментального образца спектрометра, предназначенного для установки на самолет-лабораторию в качестве штатной аппаратуры, изготовленного на основе диодных лазеров ближнего ИК-диапазона для измерения в реальном масштабе времени концентраций С02, СЩ, Н20 и их изотопов.

Для достижения цели работы необходимо было решить следующие задачи:

1. Адаптировать метод диодной лазерной спектроскопии применительно к самолетным измерениям и обосновать его применение для определения концентраций метана, углекислого газа, водяного пара и его изотопов.

2. На основе моделирования спектров поглощения исследуемых газов определить минимальные уровни измеряемых концентраций, выбрать типы диодных лазеров, обосновать выбор спектральных аналитических линий и определить оптимальную схему измерений с борта самолета лаборатории.

3. Разработать структурную схему спектрометра, определить основные технические характеристики элементов прибора.

4. Провести тестовые измерения концентраций парниковых газов в атмосфере в лабораторных и полевых условиях.

5. Провести тестовые измерения высотных профилей концентраций парниковых газов в ходе экспериментального полета самолета-лаборатории ЯК-42Д «Росгидромет».

Научная новизна и основные результаты работы.

1. Впервые, на основе метода диодной лазерной спектроскопии, разработан и изготовлен самолетный спектрометр, предназначенный для определения высотных профилей концентраций малых газовых примесей в атмосфере с борта исследовательского самолета-лаборатории.

2. Экспериментальный образец спектрометра установлен на борт самолета-лаборатории ЯК-42Д «Росгидромет» в качестве штатного средства измерений концентраций парниковых газов и их изотопов в атмосфере.

3. Разработан пакет программ обработки данных спектрометра для обеспечения оперативных самолетных наблюдений парниковых газов.

4. С помощью диодного лазерного спектрометра проведены экспериментальные исследования спектров поглощения водяного пара, позволившие уточнить значения интенсивности, полуширины и величину сдвига линий поглощения водяного пара относительно спектроскопической базы данных ШТКАК в области длины волны 1.39 мкм.

5. В ходе тестовых испытаний самолета-лаборатории ЯК-42Д «Росгидромет» получены высотные профили концентраций метана и водяного пара на высотах полета до 9500 метров в атмосфере.

Практическая ценность работы заключается в том, что созданный

образец спектрометра внедрен в качестве штатной аппаратуры в составе

научного оборудования самолета-лаборатории ЯК-42Д «Росгидромет».

Разработанная методика самолетных измерений парниковых газов в атмосфере

с помощью спектрометра и разработанная техническая документация прибора

являются частью руководства по эксплуатации научного оборудования самолета-лаборатории. Результаты диссертации могут быть полезны для оценки влияния выбросов парниковых газов на радиационный баланс в

атмосфере. Для этой цели планируется применять разработанные метод и

» „ 1

аппаратуру для измерений содержания парниковых газов и их изотопов в атмосфере с помощью различных мобильных платформ (самолет-лаборатория, аэростат, автомобиль и др.). Результаты диссертационной работы могут быть использованы при разработке спектрометров на основе диодных лазеров для измерения концентраций других малых газовых составляющих атмосферы.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Результаты моделирования спектров поглощения парниковых газов, проведенного с целью выбора оптимальных условий для их измерения с борта самолета-лаборатории.

2. Метод измерений концентраций парниковых газов и их изотопов в реальном масштабе времени, реализованный с борта самолета с помощью спектрометра на основе перестраиваемых диодных лазеров в ближнем инфракрасном диапазоне.

3. Оценки значений минимально обнаружимых концентраций углекислого газа, метана, водяного пара и их изотопов в атмосфере с помощью диодного лазерного спектрометра.

4. Структурная схема самолетного спектрометра, обоснование размещения модулей спектрометра на борту самолета-лаборатории.

В первой главе описываются спектроскопические методы регистрации парниковых газов в атмосфере, излагаются основные преимущества метода диодной лазерной спектроскопии, дается обзор действующих приборов, в основе которых лежат перестраиваемые диодные лазеры

Во второй главе изложены принципы определения концентраций парниковых газов, приводятся расчеты модельных функций оптических плотностей парниковых газов, формулируется алгоритм выбора оптимальных спектральных диапазонов для определения концентраций парниковых газов, описывается принцип работы диодного лазера и выбираются оптимальные типы источников излучения для решения поставленной задачи. Обсуждаются методика определения шумов и временная эволюция сигнала.

В третьей главе описывается состав и массогабаритные характеристики модулей спектрометра, обосновывается выбор места расположения прибора в самолете-лаборатории, обсуждаются вопросы амортизации прибора на предмет вибраций.

В четвертой главе описывается алгоритм получения концентраций и его реализации в программе управления ДЛ спектрометром, описываются принципы взаимодействия ДЛ спектрометра с БИВК.

В пятой главе приводятся результаты лабораторных и летных испытаний прибора и программного обеспечения, описана методика калибровки ДЛ спектрометра и его проверки на соответствие ГОСТ 52931-2008 «Приборы контроля и регулирования технологических процессов. Общие технические условия». Изложены первые результаты наземных испытаний прибора в составе самолета-лаборатории.

В заключении излагаются основные результаты работы с краткими комментариями.

1. Современные спектроскопические методы измерения концентраций малых газовых составляющих

1.1. Методы регистрации газовых примесей

¿1 ¡'^ - , ■

Основные тенденции развития экспериментальных методов в спектроскопии атмосферных газов связаны с повышением спектрального разрешения и чувствительности аппаратуры, освоением новых спектральных диапазонов, расширением круга измеряемых компонент [8]. В настоящее время, ведущие производители диодных лазеров могут предложить потребителям выбор источников излучения в диапазоне от 0.7 до 14мкм [9]. Активно развивается применение квантово-каскадных лазеров в диапазоне 5-14 мкм для определения концентраций КО,ЫН3,С2Н2[10].

Высокая монохроматичность излучения лазерных источников, используемая в устройствах для исследования атмосферы, в сочетании с ярко выраженной селективностью спектра поглощения атмосферы в оптическом диапазоне и большим динамическим диапазоном вариации значений коэффициентов поглощения требуют для решения практических задач исследования состава атмосферы качественно новой исходной спектроскопической информации. Поэтому, в течение последних лет для обеспечения практических потребностей атмосферной оптики активно разрабатываются высокочувствительные методы абсорбционной лазерной спектроскопии и фурье-спектроскопии высокого разрешения. Методы абсорбционной лазерной спектроскопии могут быть классифицированы на основе физического эффекта используемого для измерения поглощенной средой энергии, направляемого в нее лазерного пучка. В зависимости от метода регистрации поглощенной веществом энергии или мощности излучения можно выделить три основные группы методов абсорбционной лазерной спектроскопии: спектрофотометрический, внутрирезонаторный и оптико-акустический.

Спектрофотометрический метод регистрации коэффициента поглощения основан на сравнении потоков излучения до и после его прохождения через поглощающую среду. Предельная чувствительность метода определяется длиной оптического пути излучения в поглощающей среде и способностью системы регистрации фиксировать малые изменения интенсивности излучения на выходе из среды. В лазерных спектрофотометрах определение коэффициента поглощения основано на измерении отношения интенсивностей сигнала на входе и выходе из поглощающего слоя. Запись спектра поглощения производится при перестройке длины волны лазерного излучения. Значение коэффициента поглощения определяется по закону Бугера-Ламберта-Бера со следующими допущениями:

1) Предполагается, что излучение лазера монохроматично и пучок света является параллельным.

2) При измерениях температура практически не изменяется.

Особенно перспективно применение перестраиваемых диодных лазеров в лазерной спектрофотометрии атмосферных газов. Отличительной особенностью таких источников излучения являются следующие характеристики:

1) Небольшие размеры (2-3 см)

2) Низкое энергопотребление (10-20 мВт)

3) Очень узкая линия генерации (2-3 МГц)

4) Большой ресурс работы (105 часов)

5) Широкодиапазонная перестройка частоты излучения (2 см"1).

Именно на интервал 1-15 мкм приходятся колебательно-вращательные полосы большинства атмосферных молекул. Высокая пространственная когерентность диодных лазеров позволяет успешно применять их на протяженных трассах или с многопроходными газовыми кюветами, что необходимо для исследования слабых спектров поглощения и определения малых концентраций вещества.

Метод внутрирезонаторной спектроскопии основан на высокой чувствительности спектрального распределения излучения широкополосного лазера к спектральному распределению потерь в резонаторе. Эта чувствительность характерна для лазеров, у которых однородная ширина полосы

«и*11 4 > I 1

VI» г- "

') • усиления много больше характерного периода спектральной зависимости потерь,

вызванных поглощением помещенного в резонатор исследуемого вещества^']. Это приводит к перераспределению интенсивности излучения генерирующих мод без изменения спектрального распределения коэффициента усиления. Резонатор лазера имитирует многопроходную кювету. Однако в отличие от последней, где длина оптического пути ограничена потерями на зеркалах, обеспечивает большую эффективную длину поглощающего слоя, которая пропорциональна длительности непрерывной генерации носителей в области исследуемой линии поглощения.

Оптико-акустический метод основан на измерении интенсивности акустических колебаний (в поглощающей газовой среде), вызванных преобразованием части поглощенной энергии модулированного зондирующего излучения в тепловую энергию газа (кинетическую энергию поглощающих молекул), вследствие чего, в зоне облучения увеличивается давление, которое в виде волн распространяется по объему кюветы.

Общие преимущества абсорбционной спектроскопии с использованием

1 9

лазеров, частично изложенные в [ ], являются следующими:

1. Не требуется монохроматор, так как спектр поглощения исследуемого газа регистрируется при сканировании длины волны квазимонохроматического лазерного излучения. Спектральное разрешение выше, чем в обычной спектроскопии; в спектрометрах с одномодовыми перестраиваемыми лазерами оно ограничивается только полосой пропускания применяемой для обработки сигнала электроники.

2. Малые значения расходимости дают возможность реализовать большую длину пути в поглощающей ячейке за счет многократных отражений

вперед и назад, что делает возможным измерение параметров линий даже с малыми значениями коэффициентов поглощения.

3. Возможность быстрой перестройки длины волны излучения лазера, на которой регистрируется спектр, открывает новые перспективы для спектроскопических исследований быстропротекающих процессов и короткоживущих химических соединений.

В настоящее время наибольшее распространение в области измерения абсолютных значений спектрального коэффициента поглощения получил лазерный спектрофотометрический метод. С его помощью измерены спектры поглощения большого количества атмосферных и примесных газов с разрешением 10".. . 10" см" в областях излучения лазеров на красителях, полупроводниковых лазеров, параметрических лазеров, лазеров на твердом теле и т. д. Недостатком метода является необходимость работать с многоходовыми кюветами большого объема (для чувствительности порядка 10"6 см"1). Лучшей чувствительностью 10"7...Ю"9 см"1 обладают методы внутрирезонаторного поглощения и оптико-акустический. Оптико-акустический метод более прост в реализации и наиболее эффективен в инфракрасной области спектра. Метод

л

внутрирезонаторного поглощения позволяет за короткое время (порядка 10" с) регистрировать спектр поглощения в широком спектральном диапазоне (~70... 100 см"1), однако пока он применяется лишь в фотографической области спектра, где работают широкополосные твердотельные и жидкостные лазеры.

Основным элементом в активно развивающемся методе определения концентраций атмосферных газов - спектрофотометрическом, является источник лазерного излучения. Учитывая растущие требования к компактности и низкому энергопотреблению создаваемых приборов для изучения атмосферных газов, оптимальным видится использование в качестве источника излучения перестраиваемого диодного лазера с распределенной обратной связью. На уровне разрешения ~10"4 см"1 работают фурье-спектрометры, однако это чрезвычайно сложные установки, поэтому можно с уверенностью сказать, что спектрометр на

основе диодных лазеров не имеет конкурентов, особенно при работе в узких спектральных интервалах, а именно такие задачи, как правило, возникают в атмосферной спектроскопии высокого разрешения.

1.2. Особенности метода диодной лазерной спектроскопии

Основная цель Диодной Лазерной Спектроскопии (ДЛС) связана с применением этих методов для исследования спектров в первую очередь молекул и детектирования следового поглощения молекулярных микропримесей в анализируемых газовых смесях. В настоящее время методы ДЛС используются не только для исследования спектров поглощения, но и реализованы в большом количестве различных газоанализаторов, предназначенных для определения концентраций малых газовых примесей в атмосфере [13,14].

Принципиальным отличием метода диодной лазерной спектроскопии от известных ранее спектральных методов атмосферного газоанализа является использование спектроскопии сверхвысокого разрешения, позволяющей сканировать контуры линий поглощения исследуемых газов, содержащихся в кюветах или на открытых трассах в атмосфере. Для анализа сверхмалых концентраций химически пассивных примесей в атмосфере были разработаны методы криогенного обогащения проб атмосферного воздуха. Созданные образцы газоаналитической аппаратуры характеризуются высокой чувствительностью на уровне от 100 до 1 млрд. долей примеси по отношению к исследуемому атмосферному воздуху, избирательностью газоанализа и широким динамическим диапазоном измеряемых концентраций.

Среди достоинств диодных лазеров выделяются следующие параметры [15]:

1. излучение в оптимальных для анализа спектральных областях;

2. частота излучения ДЛ легко управляется и настраивается на требуемый для анализа спектральный диапазон;

3. диапазон непрерывной перестройки частоты ДЛ в одной моде достаточно широк для регистрации контуров аналитических линий поглощения

4. узкая ширина линии генерации обеспечивает полное разрешение регистрируемой спектральной структуры;

5. соотношение интенсивности излучения и уровня амплитудных шумов позволяют достигать необходимой чувствительности к изменению оптической плотности;

6. высокая степень воспроизводимости перестроечной кривой ПДЛ позволяет увеличить чувствительность и точность за счет накопления регистрируемых сигналов.

Среди недостатков диодного лазера, наиболее важным является возможность использования только при комнатных температурах, что существенно ограничивает их применение для регистрации вращательных линий газов фундаментальных полос поглощения, имеющих на 2-5 порядков большие сечения поглощения. Однако доступность высокочувствительных фотоприемников ближнего ИК-диапазона, позволяют проводить измерения концентраций по более слабым линиям поглощения.

Диодная лазерная спектроскопия принадлежит к числу наиболее чувствительных и в то же время селективных аналитических методов [16>17'18]. ДЛС активно используется для детектирования различных составляющих атмосферы, таких как водяной пар, СН4, СО2, HCl, HF, NH3, имеющих линии поглощения в ближней инфракрасной области спектра. Выбор этой области обусловлен максимальным значением величины сигнал/шум, определяемой в основном шумами фотоприемника и диодного лазера.

Методы лазерной спектроскопии обладают уникальной совокупностью высокого спектрального (~10"5...10"6 см"1) и временного (-10-12 мс) разрешения. Приборы на основе диодных лазеров обладают малым энергопотреблением, небольшими размерами и простотой в обращении. Кроме этого, одним из существенных достоинств современных спектральных приборов на базе диодных лазеров является их большой динамический диапазон измерений, превышающий

величину 104. Таким образом, возможна запись спектров и определение концентраций, как достаточно сильных в этом спектральном диапазоне линий (10" 21), так и крайне слабых (10"25) [19].

*' 1' ' Среди многокомпонентных приборов стационарного - базирования,

изготовленных в последнее время, стоит отметить многокомпонентный газоанализатор на основе перестраиваемых диодных лазеров для регистрации концентраций СО, 1\ГН3 и С2Н4 в открытой атмосфере. Реализованные чувствительности по концентрациям составляют: 10 млрд-1 для газа СО, 2 млрд-1 для N£[3 и 2 млрд-1 для С2Н4. [20]

Определение концентраций малых газовых компонент атмосферы с различных мобильных платформ уже немало лет является одной из самых сложных и важных задач метеорологии[21'22]. Актуальность задачи определяется возрастанием интереса к повседневным измерениям концентраций парниковых газов, определяющими изменения климата, которые, с целью формирования наиболее полной картины разумно проводить с различных мобильных платформ.

1.3. Использование методов диодной лазерной спектроскопии для измерения концентраций парниковых газов с мобильных платформ

Климатические изменения связывают как с естественными природными процессами в биосфере, так и с искусственными преднамеренными и непреднамеренными внешними воздействиями, вызванными, в том числе антропогенной деятельностью человека. Одной из основных причин изменения современного климата многие называют значительное увеличение за последние полвека концентраций основных парниковых газов - С02, СН4, Н20 в атмосфере. В связи с этими изменениями, долговременные систематические измерения пространственно-временных вариаций фоновых концентраций этих газов в тропосфере крайне востребованы научным сообществом. Кроме этого, также представляет отдельный интерес измерение фоновых концентраций отдельных изотопов водяного пара, метана и углекислого газа. Например,

экспериментальные данные о соотношении концентрации изотопов ШЮ и Н20 в атмосфере важны для описания качественных и количественных характеристик процессов испарения и конденсации в атмосфере [23]. Величина отношения ИЮ0/Н20 для определённой воздушной массы изменяется в процессах фазовых превращений и является трассером «силы гидрологического цикла». Распределение величины отношения концентраций изотопов ЩЮ/Н20 в атмосфере отражает предысторию формирования воздушных масс и характеризует перенос скрытого тепла из тропического пояса к средним и высоким широтам [24].

Мониторинг изотопного состава атмосферного водяного пара может улучшить понимание процессов фазовых превращений воды в ходе гидрологического цикла и уточнить параметры моделей общей циркуляции атмосферы, учитывающих разделение изотопов воды. Для изучения вертикальных профилей отношения ШЮ/Н20 в атмосферном водяном паре к сожалению, крайне редко, ввиду сложности экспериментов, используются самолётные

Ле

измерения[ ]. Однако с целью получения полной картины, сбор систематических данных по концентрациям парниковых газов и их изотопов, выгодно проводить, как в региональном, так и в глобальном масштабе, особенно в труднодоступных регионах.

Для выявления первоисточников поступающего в атмосферу С02 необходимо производить измерения отношения изотопов С13/С12. Например, если поступающий в атмосферу С02 образуется из сжигаемого топлива, соотношение С13/С12 снижается. Важным направлением так же видится определение отношения С14/С12, увеличение которого является индикатором проведения ядерных испытаний. Подобные измерения огромных скачков концентраций углекислого газа, проведенные локально, вполне реализуемы с использованием самолета-лаборатории.

Происхождение метана можно определить по соотношению в нём изотопов

19

углерода — обычного, С, и утяжелённого, С. Естественное происхождение, которое возможно на болотах, грязевых вулканах, характеризуется повышенным содержанием легкого изотопа 12С. Антропогенное происхождение - это горение

Л ' *

биомассы во время вырубки лесов и продукты жизнедеятельности сельского хозяйства. Например, если ветер, поступающий с угольного бассейна, обогащен

1 "Я

СН4, то такое увеличение, скорее всего, обусловлено общим количеством выбрасываемого метана. С помощью анализа обратной траектории ветра, можно на большом расстоянии определить силу источника: метан от пожаров в Сибири можно почувствовать в Центральной части России, а метан из Африки достигает Новой Зеландии. Раньше Европейский союз поддерживал мониторинг изотопов метана в Арктике, благодаря которому можно было различать источники его поступления, а в настоящее время связанная с изотопами деятельность в Арктике в основном зависит от специализированных национальных программ, одной из которых вероятно сможет быть использование самолета-лаборатории.

Удобность и простота использования в качестве источников излучения перестраиваемых диодных лазеров позволила создавать многокомпонентные компактные приборы для измерения парниковых газов со стационарных и мобильных платформ: автомобили, аэростаты, самолета-лаборатории. Использование методов диодной лазерной спектроскопии для разработки приборов, размещаемых на автомобиле подробно изложено, например в [26,27].

Одними из первых экспериментов по применению методов диодной лазерной спектроскопии для измерения атмосферных газов с мобильной платформы-аэростата являются [28,29,30]. Из последних работ по использованию перестраиваемых диодных лазеров для измерения концентраций парниковых газов в стратосфере выделяется [31].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Кузьмичев, Александр Сергеевич, 2013 год

Список литературы

1 R. Т. Ku, Е. D. Hinkley, and J. О. Sample, "Long-Path Monitoring of Atmospheric Carbon Monoxide with a Tunable Diode Laser System," Appl. Opt. 14, 854-861 (1975)

2Захаров B.M., Костко O.K., Портасов B.C., Хаттатов В.У., Чаянова Э.А. Применение лазеров для исследования состава атмосферы Л.:Гидрометеоиздат, 1983,216с.

3Захаров В.М.,Костко O.K. Лазеры и метрологияЛ.:Гидрометеоиздат, 1972,61с

4АстаховВ.И.,ГалактионовВ.В.,Засавицкий И.И. и др. Трассовый измеритель концентрации окиси углерода в атмосфере на основе импульсных диодных лазеров//Квантовая электроника. 1982.Т.9.№3

5V.I. Astakhov, V.V. Galaktionov, I.I. Zasavitskii, Yu.V. Kosichkin, A.I. Nadezhdinskii, A.N.Perov, A.Yu. Tishchenko, V.T. Trofimov, V.U. Khattatov and A.P. Shotov Pulsed laser diode device for measuring the concentration of carbon monoxide in the atmosphere over a long path

6Y.Borisov,V.Petrov, M.Strunin, V.Khattatov, B.Danelyan, A.Azarov, B.Fomin, V.Martanov, V.Stasenko, S.Vakulovskiy, A.Sinkevich, L.Sokolenko, B.Lepukhov New Russian aircraft-laboratoryYak-42D «Atmosphere» for environmental research and cloud modificationl 6th International Conference on Clouds and Precipitation,ICCP-2012

7http://www.dls.gpi.ru/rus/conf/TDLS2009/Posters/B2_airplane.pdf

8 Зуев B.E., Макушкин Ю.С., Пономарев Ю.Н. Атмосферная оптика. Том 3. Спектроскопия атмосферы (Гидрометеоиздат, 1987)

9 http://nanoplus.com

10 Gong, L., Lewicki, R., Griffin, R. J., Flynn, J. H., Lefer, B. L., and Tittel, F. K.: Atmospheric ammonia measurements in Houston, TX using an external-cavity quantum

^ cascade laser-based sensor, Atmos. Chem. Phys. Discuss., 11, 16335-16368,

doi:10.5194/acpd-l 1-16335-2011,2011

11 Величанский B.JI., Виноградов C.E., Свириденков Э.А., Харисов Г.Г.. Внутрирезонаторная лазерная спектроскопия с использованием полупроводниковых лазеров // Письма в ЖЭТФ, том 61, вып. 2

12 Демтрёдер В. Лазерная спектроскопия.— М.: Наука, 1985.— 608 с.

13 http://www.picarro.com/gas_analyzers/co2_ch4_h2o

14 http://www.licor.com/env/products/gas_analysis/LI-7700/

15 Степанов Е.В. Определение изотопического отношения углерода 13С/ 12С в выдыхаемой двуокиси углерода методами диодной лазерной спектроскопии// Тр. ИОФ им. А. М. Прохорова - 2005.- Т.61.- С.211-253.

16A.Nadezhdinskii, A.Berezin, S.Chemin, O.Ershov, V.Kytnyak, High sensitivity analyzer based on tuned near infrared diode laser.-Spectrochimica Acta PartA55,p.2083-2089,(1999).

17MoskalenkoK.V.,SobolevN.N.,AdamovskayaI.A.,StepanovE.V.,NadezhdinskiiA.L,M cKenna-LawlorS.,Tunable diode laser application for fully automated absolute measurements of CO and CO2 concentration in human breath. HightResolutionMolecularSpectroscopy.-Proc.SPIE,2205(Moscow,Russia,1993).

18Надеждинский А. И., Набиев Ш.Ш., Григорьев Г.Ю., Вязов И.Е.,Малюгин С.Л., Пономарев Ю.Н., Понуровский Я.Я., Ставровский Д.Б., Болясов Д.А. Экспресс -методы измерения степени обогащения гексафторида урана и следовых количествШ6 и HF в атмосфере на основе диодных лазеров ближнего и среднего ИК диапазона./Юптика атмосферы и океана.2005.Т.18.№9.С.797-806

19А.С.Кузьмичев, А.И.Надеждинский, Я.Я.Понуровский,"Измерение контуров линий поглощения паров изотопов воды в окрестности 1.39мкм методами диодной лазерной спектроскопии",Квант.электроника,2011,41(7),650-655.

20О.И.Даварашвили, П.В.Зырянов, А.И.Кузнецов, Я.Я.Понуровский, Ю.Г.Селиванов, Е.В.Степанов, А.Н.Хуснутдинов, Е.Г.Чижевский, Многокомпонентный анализатор на основе диодных лазеров для мониторинга газообразных загрязнений в открытой атмосфере.-Оптика атмосферы и океана,Т.12,№1,с.64-69,(1999).

21 G. Durry, G. Megie, "Atmospheric СН4 and H20 monitoring with near-infrared InGaAs laser diodes by the SDLA, a balloon borne spectrometer for tropospheric and stratospheric in situ measurements", Applied Optics, Vol. 38, No. 36, 7342-7354 (1999)

22W. Gurlit "SPECTRALOGGER: an ultracompact tunable diode laser spectrometer for automated field use",Proc. SPIE4S17, Diode Lasers and Applications in Atmospheric Sensing, 137 (September 24,2002); doi:10.1117/12.447887

23 D. Noone, Evaluation of hydrologic cycles and processes with water isotopes // First pan-GEWEX science meeting, Frascati, Italy, October. - 2006..

24 Грибанов К.Г., Захаров В.И., Береснев C.A., Рокотян Н.В., Поддубный В.А., Имасу Р., Чистяков П.А., Скорик Г.Г., Васин В.В. Зондирование HD0/H20 в атмосфере Урала методом наземных измерений ИК-спектров солнечного излучения с высоким спектральным разрешением // Оптика атмосферы и океана. 2011. Т. 24. No 2. стр. 124-127

25 D.H. Ehhalt, F. Rohrer, A. Fried, Vertical profiles of HD0/H20 in the troposphere // J. Geophys. Res. -2005. -V. 110. -D13301. - doi:10.1029/2004JD005569.

2бА.Г.Березин, О.В.Ершов, Ю.П. Шаповалов, "Мобильный высокочувствительный детектор метана на основе диодного лазера ближнего ИК диапазона", Квант, электроника, 2003,33(8), 721-727.

27 Mark Allen, Mickey В. Frish, "Mobile and Airborne Laser-Based Standoff Gas Leak Detectors," presented at UITI2008 Meeting (Park City, UT), (2 December 2008).

28 D. R. Hastie and M. D. Miller, "Balloon-borne tunable diode laser absorption spectrometer for multispecies trace gas measurements in the stratosphere," Appl. Opt. 24, 3694-3701 (1985)

29 Robert T. Menzies, Christopher R. Webster, and E. David Hinkley, "Balloon-borne diode-laser absorption spectrometer for measurements of stratospheric trace species," Appl. Opt. 22, 2655-2664 (1983)

30 May, R. D., S. Forouhar, D. Crisp, W. S. Woodward, D. A. Paige, A. Pathare, and W. V. Boynton (2001), The MVACS tunable diode laser spectrometers, J. Geophys. Res., 106(E8), 17673-17682

31 Wolfgang Gurlit, Rainer Zimmermann, Carsten Giesemann, Thomas Fernholz, Volker Ebert, Jiirgen Wolfrum, Ulrich Piatt, and John P. Burrows, "Lightweight diode laser spectrometer CHILD (Compact High-altitude In-situ Laser Diode) for balloonborne measurements of water vapor and methane," Appl. Opt. 44, 91-102 (2005)

32 Galaktionov V.V.,Khattatov V.U.,Rudakov V.V. AIRCRAFT OBSERVATIONS OF OZONE IN THE ARCTIC TROPOSPHERE IN APRIL 1994 Atmospheric Research. 1997.T.44.№ 1 -2.C .191 -198.

33 Анохин Г.Г., Антохин П.Н., Аршинов М.Ю., Барсук В.Е., Белан Б.Д., Белан С.Б., Давыдов Д.К., Ивлев Г.А., Козлов А.В., Козлов B.C., Морозов М.В. , Панченко М.В., Пеннер И.Э., Пестунов Д.А., Сиков Г.П.,Симоненков Д.В., Синицын Д.С., Толмачев Т.Н., Филиппов Д.В., Фофонов А.В., Чернов Д.Г., Шаманаев B.C.,

Шмаргунов В.П. Самолет-лаборатория Ту-134 «Оптик» // Оптика атмосферы и океана. 2011. Т.24. №9. С.805-816.

34 http://www.halo.dlr.de

http://www.hiaper.ucar.edu/

36Белан Б.Д . // Оптика атмосферы и океана. 1993. Т. 6. N 1. С. 5 - 32.

37 D. R. Hastie and М. D. Miller, "Balloon-borne tunable diode laser absorption spectrometer for multispecies trace gas measurements in the stratosphere," Appl. Opt. 24,3694-3701 (1985)

38 Dyroff C., D. Futterer, and A. Zahn, Compact diode-laser spectrometer ISOWAT for highly sensitive airborne measurements of water-isotope ratios, Appl. Phys. В 98, 537548, 2010

39 Toci, G., P. Mazzinghi, M. Vannini, 1999: A diode laser spectrometer for the in situ measurement of the hno3 content of polar stratospheric clouds. J. Atmos. Oceanic Technol., 16, 1295-1302.

40 D.C.Scott, R.L. Herman, C.R.Webster, R.D.May, G.J.Flesh, and E.J.Moyer, "Airborne laser infrared absorption spectrometer_ALIAS-II_for insitu atmospheric measurements of N20, CH4, CO, HCl,and N02 from balloon or remote ly piloted aircraft platforms,"Appl.Opt.3 8,4609-4622,1999

41 http://link.springer.c0m/c0ntent/pdf/l 0.1007%2Fs003400050524.pdf

42Собельман И.И., Введение в теорию атомных спектров,2изд.,М.,1977

43С.Г.Раутиан. О контуре линии поглощения молекулярного газа.-Оптика и Спектроскопия,т.86,№3,с.385-387,(1999).

44Раутиан С.Г.,Собельман И.И.Влияние столкновений на доплеровское уширение спектральных линий. УФН,1966,т.90,с.209

45 Special Issue of the Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer,vol.l 10,pp.533-572(2009)

46N. Jacquinet-Husson et al. / Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer 112 (2011) 2395-2445

47http://vpl.astro.washington.edu/spectra/

48Maxwell J. C. On Faraday's Lines of Force//Transactions of the Cambridge Philosophical Society.—1856.—'Т.Ю.—№1.—C.155—229.

49Beer (1852) "Bestimmung der Absorption des rothen Lichts in farbigen Flüssigkeiten" (Determination of the absorption of red light in colored liquids), Annalen der Physik und Chemie, vol. 86, pp. 78-88.

50Гайтлер В., Квантовая теория излучения,пер.сангл.,М.,1956;

51P.L.Varghese,R.K.Hanson,Appl.Opt.23(1984)2376-2385

52B.H.Amstrong, J.Quant.Spectrosc.Radiat.Transfer7(1967)61-88.

53R.H.Dicke(1953).«The Effect of Collisions upon the Doppler Width of Spectral Lines».Physical Review 89(2):472.

54Line profile study with tunable diode laser spectrometers, Muriel Lepère Laboratoire de Spectroscopie Moléculaire, Facultés Universitaires Notre-Damedela Paix,61,ruede Bruxelles, B-5000Namur, Belgium Spectrochimica Acta PartA60(2004)3249-3258

55U.S.StandardAtmosphereSupplements,1966,U.S.GovernmentPrintingOffice,Washingt on,D.C.,1966

56 http ://www.dls.gpi.ru/rus/sem/12/2 .pdf

57 Наместников Дмитрий Юрьевич Трехканальный детектор на основе РОС гетеролазеро в InGaAs для мониторинга: Дис..к.т.н. M 2007.

(П

http://www.nanoplus.com/ 59http://www.ntt-electronics.com 60http://alpeslasers.ch 61http://www.fitel.com

62 R.Smith, F.Jones, R.Chasmar, Detection and measurement of infrared radiation, Oxford University, London, (1957)

/л

Наместников Дмитрий Юрьевич Трехканальный детектор на основе РОС гетеролазеров InGaAs длямониторинга:Дис..к.т.н. М2007.

64Klauder J.R. and Sudarshan E.C.G., Fundamentals of Quantum Optics, W.A.Bengamin, Inc.,NY,Amsterdam,1968;pyccrara перевод Дж.Клаудер, Э.Сударшан, Основы квантовой оптики,ред.С.А.Ахманов,"Мир",М,1970

65C.H.Townes, Nuovo Cimento Suppl.,5,222(1957).

66GlauberR.J.,Quantum Opticsand Electronics, ed.C.DeWitt,A.Blandin,C.Cohen-Tannoudji,NY, 1964;русский перевод в сборнике«Квантовая оптика и квантовая радиофизика»,Мир, 1966.

67LaxM.,Phys.Rev..,160,P.290,1967.

/ГО

Morthier G.,Vankwikelberge P.,Hand book of distributed feedback laser diodes,ArtechHouse,Boston,1997.

69 D.W.Allan. Statistics of atomic energy standard. Proc. IEEE,v.54, No2, p.p.221- 231 (1966)

70 http://www.fibopt.ru/rfo2011 /presentation/A4-1 .pdf

71http://www.analog.com/en/index.html

72http://www.ti.com

73 А.Д. Бритов, И.Н. Мирошникова, А.И. Надеждинский, Д.Ю. Наместников / Трехканальный детектор на основе РОС гетеролазеров для мониторинга следов газов. // "Вестник МЭИ", 3/2007, Москва

74http://www.ptfiber.ru

75http://sanderelectronics.ru/product,47746

76http://www. vacom-shop.de/KF 16FMCRV-303/en

77S.M.Chernin,MultipathsystemsinopticsandspectroscopyFizmatlit(2010)(inRussian) 78J.U. White,Longopticalpathsoflargeaperture,J.Opt.Soc.Am.32,285(1942) 79D.Herriott,H.KogelnikandR.Kompfner,Off-

AxisPathsinSphericalMirrorInterferometers,Appl.Opt.3,523-526(1964) 80 http://www.dls.gpi.ru/rus/conf/TDLS2011/Posters/A3%20water%20channel.pdf 81http://www.elizpribor.ru/products/19492.htm 82http://www.rlocman.ru/op/tovar.html?di=61403&/AP-6121 83http://www.apra.de/

О A

http://www.elemer.ru 85http://www.bdsensors.ru 86http://www.epcos.com

87http://jp.hamamatsu.com/ 88http://ni.com

89 S.G.Rautian and I.I. Sobel'man Sov. Phys. Usp. Engl. Transi. 9 701-716 (1967).

90 http://www.lgrinc.eom/analyzers/o verview.php?prodid=23&type=gas