Введение к работе
Актуальность темы диссертации
Своевременный мониторинг экологической обстановки и контроль качества воздуха очень важен в жизни современного общества. В связи с этим большую актуальность приобретают задачи повышения оперативности диагностики окружающей среды.
Особое место при решении проблем мониторинга занимают методы лазерного зондирования атмосферы, позволяющие дистанционно и оперативно получать информацию о пространственно-временном распределении параметров окружающей среды. Применение специальных лазерных локаторов (лида-ров), использующих спектроскопические эффекты взаимодействия излучения с веществом, позволяет проводить дистанционное и скрытное инспектирование пространства в труднодоступных или закрытых областях, осуществлять качественный и количественный контроль содержания токсичных газов в выбросах промышленных предприятий и т.д. Также весьма перспективным направлением использования лидарных методов является дистанционное определение уровня загрязнения поверхностей объектов или подстилающей поверхности.
В основе всех без исключения оптических методов определения химического состава окружающей среды лежат фундаментальные принципы взаимодействия излучения с веществом. Выбор конкретного эффекта взаимодействия при разработке метода осуществляется исходя из условий решаемой задачи.
Эффект спонтанного комбинационного рассеяния (СКР) позволяет, в принципе, получать информацию о составе и соотношении концентраций многокомпонентной среды, одновременно. Каждая из молекул химического соединения имеет уникальный спектр СКР, что позволяет проводить ее однозначную идентификацию. Частотные сдвиги полос СКР не зависят от длины волны возбуждающего излучения, а определяются энергетической структурой молекулы. Сечение эффекта СКР, в отсутствие электронных резонансов, плавно зависит от частоты. Именно поэтому, условия возбуждения спектров СКР не требуют применения специальных перестраиваемых лазерных источников. При этом длина волны возбуждающего излучения определяет спектральную область расположения спектров СКР, которая может быть выбрана оптимальным образом в зависимости от условий решаемой спектроскопической задачи. Вес это делает привлекательным эффект СКР при его применении в качестве физической основы методов дистанционной диагностики окружающей среды и создании специальных лазерно-локационных систем - СКР-лидаров на его основе.
Известные ранее попытки применения СКР-лидаров ограничивались возможностью одновременного мониторинга лишь нескольких компонентов атмосферы за счет аппаратного выделения нескольких дискретных участков в спектрах СКР-лидарных откликов [1—4]. Благодаря прогрессу в области информационных технологий в сочетании с появлением высокочувствительных охлаждаемых матричных фотодетекторов, появилась возможность многоканальной регистрации и идентификации спектров СКР во всей области частотных сдвигов одновременно [5-7].
Не смотря на универсальность СКР-лидарного метода, его применение для обнаружения низких концентраций веществ не всегда возможно в силу малой эффективности взаимодействия. Известно, что абсолютное значение сечения СКР зависит от длины волны возбуждающего излучения как X4. Именно поэтому при создании высокочувствительных систем дистанционного контроля химического состава окружающей среды на базе эффекта СКР стараются использовать коротковолновое излучение. Выбор лазерного источника с длиной волны излучения короче 250 нм кажется достаточно привлекательным, поскольку при этом обеспечивается как высокое сечение взаимодействия (в том числе за счет возможного предрезонансного усиления), так и благоприятное, с точки зрения подавления шума, расположение частотных сдвигов, в «солнечно-слепой» области спектра (200-300 нм). При этом, как показывает анализ литературных данных, вероятность перекрытия спектров СКР и флуоресценции становится существенно меньше, за счет благоприятных особенностей распределения интенсивности полос спектров флуоресценции примесей при возбуждений в ультрафиолетовой (УФ) области. Однако, несмотря на многолетние усилия исследователей, направленные на решение проблемы создания лидарного метода, обеспечивающего высокую чувствительность и оперативность, имеющего высокую помехозащищенность и универсальность наталкиваются на трудности как методического, так и технического характера. И как следствие, задачу создания лидарной технологии диагностики окружающей среды на основе эффекта СКР нельзя считать решенной. Из анализа состояния вопроса, с очевидностью следует необходимость проведения дополнительных специальных научных и технологических экспериментов, с целью создания лидарного метода и лидарной системы нового поколения с использованием особенностей взаимодействия излучения с веществом в УФ диапазоне длин волн.
В этой связи, целью диссертационной работы является разработка СКР-лидарного метода дистанционной диагностики окружающей среды с высокой чувствительностью и помехозащищенностью, и экспериментальное исследование его потенциальных возможностей.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
анализ возможности создания лидарного метода дистанционной диагностики окружающей среды на основе эффекта СКР при использовании УФ диапазона длин волн;
разработка математической модели процесса зондирования атмосферы на основе эффекта СКР в УФ области спектра и определение требований к характеристикам лидара;
создание макета СКР-лидара на базе источника излучения УФ диапазона длин волн;
экспериментальное исследование помехоустойчивости метода и определение достижимых минимально обнаружимых концентраций паров и следов химических соединений, определяемых с помощью разработанного СКР-лидара.
При решении поставленных задач были выделены основные результаты, получившие обоснования в процессе выполнения диссертации и выдвигаемые в качестве защищаемых положений.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Для корректного измерения низких концентраций (менее 1000 ррш) газовых компонентов зондируемой среды необходимо осуществлять дополнительное спектральное подавление колебательно-вращательных полос СКР на основных составляющих атмосферы (N2 и Ог), а в качестве опорного сигнала использовать их первые обертоны.
-
Комбинационное рассеяние в материале окон кюветы вносит в СКР-лидарный сигнал шумовую компоненту в области частотных сдвигов 100— 1300 см"1, интенсивность которой эквивалентна сигналам СКР на молекулах кислорода в воздухе. Для устранения влияния шума окон кюветы при проведении калибровки метода необходимо осуществлять пространственно-временное разделение шумовой и сигнальной компонент лидарного отклика.
-
Высокая плотность энергии зондирующего импульса эксимерного лазера на среде KrF (более 8 мДж/см2 для тринитротолуола) приводит к снижению эффективности СКР-лидарного метода обнаружения следов на поверхности за счет деградации следа при лазерном воздействии.
Научная новизна работы
Впервые для определения концентрации химических соединений в атмосфере методом СКР предложено использовать в качестве опорного сигнала первый обертон кислорода или азота.
Впервые для исследования возможности метода СКР использовался эк-симерный лазер на среде KrF с узкой линией излучения (5 пм) и с возможностью перестройки в широком спектральном диапазоне (2 нм).
Впервые экспериментально обоснованна чувствительность СКР-лидара в 2 ррт при обнаружении паров загрязняющих веществ в атмосфере с использованием многоканального матричного фотоприемника.
Впервые показано, что использование высокой плотности энергии зондирующего импульса эксимерного лазера на среде KrF приводит к снижению эффективности СКР-лидарного метода обнаружения следов химических веществ на поверхности.
Впервые экспериментально показана возможность дистанционного обнаружения следов тринитротолуола с поверхностной концентрацией 500 нг/см с помощью эффекта СКР при возбуждении излучением с длиной волны 248,3 нм.
Научная и практическая значимость
В процессе исследования был разработан уникальный СКР-лидар, позволяющий проводить дистанционное обнаружение паров химических веществ с концентрациями порядка единиц ррт и следов химических веществ с поверхностными концентрациями порядка единиц мкг/см .
Выявлены физические факторы, приводящие к снижению чувствительности СКР-лидарного метода, при использовании источника излучения УФ диапазона длин волн и предложены методы борьбы с ними.
Показано, что использование в качестве опорного сигнала первого обертона кислорода или азота позволяет корректно измерять низкие концентрации (менее 1000 ррт) химических веществ в атмосфере методом СКР.
Экспериментально апробирован СКР-лидарный метод дистанционной визуализации следов химических веществ с экстремально низкими поверхностными концентрациями.
Внедрение результатов работы
Результаты работы использованы при выполнении следующих проектов:
-
СЧ НИР (2012-2013 гг.) «Исследование лидарных методов дистанционного обнаружения следов азотосодержащих взрывчатых веществ на одежде и коже человека, поверхности ручной клади и багажа в условиях интенсивного пассажиропотока», заказчик Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химико-энергетических технологий СО РАН.
-
Проект РФФИ № 13-08-98013 р_сибирь_а (2013-2015 гг.) «Развитие основ новых лазерных технологий для дистанционного контроля состава и оптико-метеорологических параметров атмосферы».
-
Междисциплинарный интеграционный проект СО РАН (2012-2014 гт.) «Физические основы новых дистанционных методов и технологий обнаружения взрывчатых веществ».
Достоверность результатов работы подтверждается:
согласованием результатов с экспериментальными данными других авторов, полученных в схожих условиях;
адекватной калибровкой метода по сигналам СКР на основных составляющих атмосферы;
совпадением результатов теоретических оценок и значений экспериментальных данных;
положительными решениями патентных экспертиз предложенных решений.
Личный вклад автора
Все результаты, представленные в работе, получены при непосредственном участии автора. Автор диссертации проводил расчет и проектирование узлов и компонентов лидара, осуществлял планирование экспериментов, участвовал в проведении экспериментальных исследований по оценке чувствительности и определении характеристик лидара. Обрабатывал экспериментальные данные и проводил их интерпретацию и анализ. Кроме того, личный вклад автора состоит в разработке математической модели процесса зондирования атмосферы на основе эффекта СКР в УФ области спектра, а также в компьютер-
ном моделировании оптической схемы и определении геометрической функции лидара.
Апробация работы
По материалам диссертации опубликовано 19 работ, в том числе 6 статей в научных журналах, включенных в перечень ВАК: «Известия вузов. Физика», «Оптика атмосферы и океана». Получено 2 патента на полезную модель.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: 3-ей Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы радиофизики» (Томск, 2010); 25lh International Laser Radar Conference (Санкт-Петербург, 2010); XVII Международном симпозиуме «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Томск, 2011); X International Conference Atomic and Molecular pulsed lasers - AMPL (Томск, 2011); V Всероссийской конференции молодых ученых «Материаловедение, технологии и экология в 3-м тысячелетии» (Томск, 2012); XVIII Международном симпозиуме «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Иркутск, 2012); Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы радиофизики» (Томск, 2012); 26th International Laser Radar Conference (Греция, 2012); XIX Международном симпозиуме «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Барнаул, 2013); 2nd European Conference on Detection of Explosives (2nd EUCDE) (Италия, 2013); 44th International Annual Conference of the Fraunhofer ITC (Германия, 2013); 9 th International High Energy Materials (HEMs) Workshop "Civil and Green Applications of High Energy Materials" (Япония, 2013).
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, содержащего 168 наименований цитируемой литературы. Общий объем диссертации, включая иллюстрации и таблицы, составляет 138 машинописных страниц.
