Измерение концентрации и температуры газов

С помощью СКР исследовано несколько газов промышленной чистоты. Давление, а следовательно, и плотность (T_const) изменялись по величине на три порядка. В качестве источника возбуждающего излучения использовался рубиновый лазер типа TRG модели 104А с модулированной добротностью (l = 694,3 нм). Энергия импульса излучения была 1 кДж при длительности около 10 нс (по полуширине), что соответствовало пиковой мощности 100 МВт. Излучение было линейно поляризовано в вертикальной плоскости. В экспериментах использовался спектрограф модели М-401. Регистрация спектров КР на выходе спектрографа осуществлялась с помощью высокочувствительного ФЭУ (модель RCA № 031000) и высокоскоростного осциллографа. Ширина входной щели спектрографа регулировалась в пределах 25 – 100 мкм.

На рис. 6 приведены результаты измерения интенсивностей линии КР в чистых газах. Для выделения комбинационных линий в спектре рассеянного света использовались два узкополосных фильтра. Для СО₂, имеющего четыре стоксовы компоненты, спектрограф регистрирует общую интенсивность колебательно-вращательных полос на длинах волн 768,3 и 769,6 нм. Проводились также раздельные измерения интенсивности на полосах 710,2 и 762,3 нм, которая составляла 8,1 × 10^-8 Вт при интенсивности возбуждающего излучения 75 МВт. Измеренная и расчетная интенсивности линий в диапазоне изменения плотности газа на 2,5 порядка хорошо согласуются. Погрешность измерений понижается при более высоких давлениях газа и увеличивается до 15—20 % при низких. Нижний предел измеренного давления для N₂ составил 1,3 кПa, что выше, чем для О₂ и СО₂ (0,4 - 0,53 кПа). Это объясняется тем, что эффективное сечение света для N₂ меньше, чем для О₂ и СО₂. При низком давлении интенсивность рассеянного света находится в пределах шума ФЭУ и не может быть измерена. Графики, приведенные на рис. 6, можно рассматривать как калибровочные и использовать их для определения парциальных концентраций веществ в различных газовых смесях, состав которых заранее известен.

Параметры КР молекул многих веществ либо не известны, либо измерены неточно. Типичным примером является вода, содержание которой в атмосфере и профиль ее распределения являются важнейшими параметрами формирования погодных условий. В связи с важностью константы s(Н₂О) проведен цикл измерений поперечного сечения колебания молекулы воды в жидкой и газообразной фазах с максимальным учетом возможных погрешностей. В качестве эталонных линий использовались линии КР газообразного азота 2331 см^-1 и жидкого бензола 992 см^-1, сечения которых определены точно. Спектр КР возбуждался аргоновым лазером (Р_п = 1 Вт). В результате многократных записей интегральной интенсивности полосы 3400 см^-1 жидкой воды и линии 992 см^-1 бензола получено s^Ж(Н₂О) = (9 ± 2) × 10^-30 см² × ср^-1 мол^-1. В туманах и спектре КР в области полосы v₁ из-за сильной водородной связи наблюдается широкая полоса со сравнительно острым пиком на частоте 3652 см^-1. При соответствующей обработке такой полосы можно определить содержание воды в жидкой и парообразной фазах. При измерении сечения КР линии 3052см^-1 парообразной воды использовались те же эталонные линии. Поперечное сечение уменьшается почти в шесть раз при переходе из жидкой фазы в газообразную. Аналогичная картина наблюдается и для многих органических веществ, но их поперечное сечение при переходе в пар уменьшается в 2—3 раза.

Рис. 6. Интенсивность стоксовой компоненты КР О₂ (1), N₂ (2) и СО₂ (3), измеренная в воздухе, при комнатной температуре с помощью спектрографа, фильтрами, Р = 0,21; 28 кПа, Р = 13,3 – 106, 4 кПа;

Проведены лабораторные измерения количественных характеристик КР от границы раздела воздух — вода с целью изучения загрязненности воды и выяснения возможностей исследования больших по площади водных акваторий с помощью лидара, устанавливаемого на борту самолета или спутника. КР паров воды зависит от энергии падающего фотона (в качестве эталона использовался N₂).

На рис. 7 приведены поперечные сечения для смеси паров улеводородов, входящих в состав нефти, которые в 115 раз больше поперечного сечения КР для азота.

Рис. 7. Спектр КР смеси паров углеводородов, входящих в состав нефти (l = 532 нм)

На границе раздела спектр КР очень близок к спектру от объема жидкости. Исследовано тепловое «загрязнение» (тепловая страфикация) искусственного образца морской воды. Интенсивность, положение и форма основного максимума в спектре КР в морской воде являются функцией температуры. Этот результат аналогичен измерениям в чистой воде. Наличие ионов растворенного вещества в воде не изменяет температурной зависимости спектра. Спектры рассеяния на границе раздела воздух — вода (чистая) и воздух — нефть на поверхности воды приведены на рис. 8. Проведено дистанционное определение концентрации примесей в воде методом лазерной спектроскопии с калибровкой по КР

Рис. 8. Спектр КР (v₀ = 17 500 см^-1):

1 — от границы раздела воздух — нефтяная пленка на поверхности воды; 2 — от границы раздела воздух — чистая вода; l_возб = 532 нм.