Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Моделирование поглощения мм/субмм излучения в земной атмосфере и необходимые параметры молекулярных линий атмосферных газов 14
1.1 Спектр атмосферного поглощения 18
1.2 Профиль поглощения: форма и параметры линии 31
1.3 Континуальное поглощение 35
1.4 Выводы
Глава 2. Спектрометры низкого и высокого давления
2.1 Введение 36
2.2 Спектрометр РАД 39
2.2.1 Устройство и принцип работы спектрометра 39
2.2.2 Аппаратная функция спектрометра 42
2.2.3 Характеристики спектрометра 53
2.3 Резонаторный спектрометр 58
2.3.1 Устройство и принцип работы спектрометра 58
2.3.2 Принцип измерения поглощения 62
2.3.3 Особенности работы спектрометра в субмм диапазоне 67
2.3.4 Характеристики спектрометра и сравнение с существующими мировыми аналогами 69
2.4 Выводы 71
Глава 3. Спектр молекулы кислорода
3.1 Введение 73
3.2 Параметры линий тонкой структуры кислорода 75
3.2.1 Уширение линий давлением Ог, N2 и воздуха 75
3.2.1.1 Исследование при низком давлении 75
3.2.1.2 Исследование при атмосферном давлении 84
3.2.2 Сдвиг линий давлением 89
3.2.3 Центральные частоты линий и молекулярные константы 91
3.2.4 Интенсивность линий 95
3.2.5 Параметры интерференции линий %
3.2.6 Температурная зависимость параметров линии N= 1- 109
3.3 Выводы 112
Глава 4. Поглощение мм/субмм излучения в водяном паре: параметры линий и континуума
4.1 Введение 113
4.2 Параметры линий воды субмм диапазона 115
4.2.1 Уширение и сдвиг линий давлением Ог, N2 и воздуха 115
4.2.1.1 Исследование при низком давлении 115
4.2.1.2 Исследование при атмосферном давлении 123
4.2.2 Интенсивность линий 126
4.3 Континуальное поглощение в смеси водяного пара с азотом 127
4.3.1 Эксперимент при комнатной температуре
4.3.2 Эксперимент при низких температурах 131
4.3.3 Анализ полученных данных 133
4.4 Выводы 138
Заключение 139
Библиография 141
- Профиль поглощения: форма и параметры линии
- Характеристики спектрометра и сравнение с существующими мировыми аналогами
- Центральные частоты линий и молекулярные константы
- Континуальное поглощение в смеси водяного пара с азотом
Введение к работе
Глобальный мониторинг атмосферы Земли, получение данных для прогнозирования погоды и предсказания изменений климата, дистанционное зондирование влажности почвы, солености поверхности океана и пр. осуществляются, в конечном счете, с помощью микроволновых и инфракрасных (ИК) радиометрических измерений. Для этих целей используется различная техника (рис. 1), базирующаяся как на наземных станциях [1], так и на летательных аппаратах (например, ER2 и Proteus [2]) и искусственных спутниках Земли (ODIN [3], EOS MLS [4], MASTER [5] и др.) и спектральные линии различных газов, в том числе миллиметрового (мм) и субмиллиметрового (субмм) диапазонов длин волн. Так, например, для восстановления вертикального профиля температуры атмосферы используются как мм переходы тонкой структуры молекулы кислорода вблизи 60 и 118 ГГц, так и чисто вращательные субмм переходы на частотах 487.2 и 2502.3 ГГц. Для определения профиля влажности атмосферы Земли разными инструментами используются вращательные переходы молекулы 11 О мм и субмм диапазонов на частотах 22.2, 183.3, 325.1, 380.2 ГГц и др. Кроме того, для задач дистанционного зондирования [6] необходимо знание так называемого континуального поглощения водяного пара в смеси с азотом и кислородом, что представляет собой отдельную физическую проблему.
Для интерпретации наблюдающихся со спутника сложных профилей атмосферных линий необходимы лабораторные измерения констант столкновительного взаимодействия соответствующих молекулярных переходов: уширения, сдвига и столкновительной связи (интерференции) спектральных линий, от точности знания которых непосредственно зависит точность извлекаемой информации. Для накопления и обобщения наиболее точных на сегодняшний день результатов экспериментальных и теоретических исследований параметров линий создаются спектроскопические базы данных, такие как HITRAN [7], GEISA [8], JPL [9], MASTER [5] и др. Однако следует отметить, что и по сей день содержащаяся в них информация о параметрах линий остается неполной. Так, например, практически во всех вышеупомянутых базах данных, отсутствует информация о столкновительных параметрах сдвига и интерференции линий. Отчасти это обусловлено тем, что еще не до конца развит аппарат теоретического расчета этих параметров, а имеющиеся экспериментальные данные разных авторов даже для одного конкретного перехода сильно разнятся между собой. Например, для важной диагностической линии поглощения водяного пара на 183 ГГц, используемой на многих станциях зондирования для восстановления профиля влажности атмосферы, разброс значений параметра уширения линии давлением воздуха, измерения которого ведутся разными исследователями с середины прошлого века, достигает 30% (рис. 2). То же самое касается и параметров важной диагностической линии кислорода у 118 ГГц, используемой для восстановления профиля температуры атмосферы. Разброс значений параметра уширения этой линии давлением воздуха достигает 20%.
Исследование чувствительности методов дистанционного зондирования к точности используемых спектроскопических параметров линий, проведенное авторами работы [10], показало, что основной вклад в ошибку восстанавливаемых параметров атмосферы вносят такие параметры линий, как параметр уширения линии давлением воздуха ушг и его температурный показатель пуа" . Ошибка же в значении константы уширения, превышающая 5%, становится основной в суммарной ошибке определения параметров атмосферы [11]. По мере развития техники и методов, требования, предъявляемые к точности лабораторных исследований, возрастают. Если еще недавно для используемых диагностических линий требовалась 5%-я точность знания интенсивности, то на современном уровне развития диагностирующей техники необходима точность 1% [12]. Возможно, что уже в ближайшее время 5% порог точности для параметров уширения будет повышен до 1%.
Влияние сдвигов линий на точность обработки данных дистанционного зондирования существенно меньше по сравнению с уширением. Однако, как было показано в работе [13], введение отрицательного сдвига центральной частоты диагностической линии водяного пара на 183 ГГц в модельную функцию приводит к значительному улучшению остатка от обработки, а, следовательно, и к увеличению точности получаемых данных. По оценкам, полученным авторами работы [13] из обработки данных дистанционного зондирования атмосферы с помощью различных спутников, величина сдвига линии давлением воздуха варьируется от -0.75 до -0.150 МГц/Торр. Оценивая ситуацию, авторы [13] писали в заключении: «Некоторые параметры, включая сдвиг частоты давлением, трудно измерить в лаборатории. Нам представляется, что MLS инструмент может обеспечить лучшее измерение сдвига линии водяного пара на 183 ГГц, чем любая лабораторная техника, о которой нам известно. ... В то же время, необходимо знать параметры диагностических линий заранее, еще до запуска спутника на орбиту». Единственное решение этой проблемы, которое видят авторы работ [13] и [10], - это лабораторные прецизионные исследования параметров линий современными методами микроволновой спектроскопии.
Профиль поглощения: форма и параметры линии
По тематике диссертации автором опубликовано 39 работ [27-67], включая 9 статей в российских и зарубежных журналах [27-35] и 1 статью в сборнике статей НАТО [36]. Основные результаты диссертации докладывались на 26-й международной конференции по инфракрасным и миллиметровым волнам (г. Тулуза, Франция), 17-й международной конференции по молекулярной спектроскопии высокого разрешения (г. Прага, Чешская республика), 19-ом коллоквиуме по молекулярной спектроскопии высокого разрешения (г. Саламанка, Испания), 3-м симпозиуме Европейского Космического Агентства по технологиям и приложениям мм волн (г. Еспу, Финляндия), 4-м международном симпозиуме по физике и технике миллиметровых и субмиллиметровых волн (г. Харьков, Украина), 16-й Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (г. Севастополь, Украина), 12-м международном симпозиуме «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (г. Томск), 9-й Всероссийской школе - семинаре «Физика и применение микроволн» (г. Звенигород), 14-м и 15-м международных симпозиумах по молекулярной спектроскопии высокого разрешения (г. Красноярск, г. Нижний Новгород), 22-м и 23-м съездах по спектроскопии (г. Звенигород), 6-й, 7-й и 10-й нижегородских сессиях молодых ученых (г. Нижний Новгород), 5-й, 9-й и 10-й научных конференциях по радиофизике (г. Нижний Новгород), международном симпозиуме стран СНГ «Атмосферная радиация» (г. Санкт-Петербург) и 20-й всероссийской конференции по распространению радиоволн (г. Нижний Новгород).
Уже в настоящее время полученные в диссертационной работе молекулярные константы используются в европейской космической программе ESA MASTER (Millimeter-wave Acquisition for Stratosphere/Troposphere Exchange Research) [5] и международных базах атмосферных данных [12]. Значения констант, полученные при исследовании спектра кислорода, применены в новой версии программы МРМ, созданной совместно с исследователями Массачусетского Института Технологий (MIT) [31].
Автор считает своим приятным долгом выразить огромную благодарность научному руководителю М.Ю. Третьякову за его неоценимый вклад в процесс становления автора данной диссертации, как самостоятельного исследователя, за постановку интересных задач, постоянное внимание и поддержку на протяжении всей работы. Особую благодарность хотелось бы выразить А.Ф. Крупнову за большое количество полезных идей и рекомендаций по теме диссертации, а также В.В. Паршину, без чьего участия была бы невозможна реализация исследования на резонаторном спектрометре. Часть результатов, описанных в данной работе, получены под руководством или непосредственно Г.Ю. Голубятниковым и используются с его разрешения, за что автор выражает ему свою признательность. За помощь и поддержку на протяжении всей работы отдельно хочется поблагодарить своих коллег, а именно сотрудников отдела микроволновой спектроскопии СЕ. Третьякову, Е.Ф. Федоренко, В.Н. Маркова, В.В. Доровских, Д.С. Макарова и И.А. Коваля, а также сотрудника Массачусетского Института Технологий Филиппа Розенкранца за помощь в обработке атмосферного спектра кислорода, описанного в параграфе 3.2.5, и плодотворное обсуждение результатов. Особенно хочется поблагодарить своих родителей и жену за постоянную заботу, терпение и моральную поддержку.
Часть работ, вошедших в эту диссертацию, проведена при финансовой поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований и Программы "Проблемы радиофизики" Отделения физических наук РАН, которым автор выражает свою признательность.
При рассмотрении задачи распространения радиоволн мм/субмм диапазона в атмосфере Земли, немаловажную роль играет их поглощение различными газовыми компонентами.
В состав земной атмосферы входят такие вещества, как азот (N2), кислород (Ог), аргон (Аг) и другие, причем суммарное содержание N2, Ог и Аг составляет примерно 99.96% от общего содержания сухого воздуха. В нижних слоях атмосферы присутствует еще водяной пар, объемное содержание которого не превышает 3% и с ростом высоты быстро уменьшается. Из всего многообразия «атмосферных» молекул, основной вклад в поглощение мм/субмм излучения атмосферой вносят кислород и водяной пар, остальные же молекулы либо не обладают дипольным моментом (например, N2, Аг), а, следовательно, не вносят никакого вклада в поглощение, либо их содержание, а значит и соответствующее поглощение, - малы (например, СО, SO2, Оз, OCS). Учет последних необходим при лимбовом зондировании верхних слоев атмосферы, где давление мало и линии микропримесей хорошо видны на фоне поглощения основных молекул.
Молекула НгО относится к типу легких нежестких трехатомных нелинейных молекул. Равновесные положения ядер в молекуле воды образуют равнобедренный треугольник, в вершине которого находится атом кислорода. Все три равновесных момента инерции молекулы различны, поэтому молекулу НгО относят к классу асимметричного волчка.
Для обозначения переходов молекулы воды используется так называемый «удобный» набор квантовых чисел JK к [68], где J, Ка, Кс - квантовые числа, характеризующие полный момент количества движения (J), а также моменты количества движения вокруг оси наименьшего (для предельно вытянутого волчка) и наибольшего (для предельно сплющенного волчка) моментов инерции соответственно. Эти обозначения будут использоваться дальше в данной диссертации при обозначении переходов молекулы Н20.
Большое значение дипольного момента у молекулы НгО является причиной интенсивного вращательного спектра, занимающего весьма широкую спектральную область от длин волн 8 мкм до нескольких сантиметров.
Спектр молекулы кислорода ( возникает вследствие взаимодействия магнитного момента молекулы с полем излучения. Из соображений симметрии следует, что 16Ог не имеет постоянного электрического дипольного момента, но, находясь в основном Е состоянии, обладает постоянным магнитным моментом, равным двум магнетонам Бора [69]. Кроме того, в молекуле кислорода 16Ог значения ядерных спинов равны нулю, а значит, она подчиняется статистике Бозе-Эйнштейна: все четные уровни энергия для нее отсутствуют и разрешены переходы с AN = 0, ±2, где N - вращательное квантовое число. Взаимодействие спиновых моментов двух не спаренных электронов, а также полного электронного спина S и вращательного момента молекулы ./V расщепляют каждый энергетический уровень на (25+1) компонент, где S - спин молекулы. Так как для молекулы кислорода S = 1, то каждый уровень расщепляется на 3 подуровня, а квантовое число J, характеризующее полный момент количества движения J=N+S, принимает три значения J = N- 1, N, N + 1. То есть, для каждого значения вращательного квантового числа N существуют три значения J. Структура энергетических уровней молекулы Ог приведена на рис. 1.1. Согласно правилам отбора, выделяют две серии переходов молекулы кислорода:
Характеристики спектрометра и сравнение с существующими мировыми аналогами
Интерференция спектральных линий. При рассмотрении контура полосы, образованной большим числом близко расположенных перекрывающихся линий, например, как в случае кислородной полосы вблизи 60 ГГц [26], суммарный профиль отличен от суммы контуров отдельных линий из-за наличия так называемой «интерференции» (столкновительного взаимодействия или связи) линий полосы. При сравнительно малых давлениях интерференцией линий можно пренебречь в силу малости эффекта. Однако его неучет при атмосферном давлении ведет к серьезным ошибкам в описании атмосферного поглощения, которые будут рассмотрены ниже.
Качественно эффект интерференции объясняют [72] на примере двухчастотного осциллятора. Пусть каждое столкновение меняет частоту колебаний осциллятора, не меняя его амплитуду и фазу. При редких столкновениях, когда время между столкновениями много больше периода колебаний, в спектральной области наблюдаются две перекрывающиеся линии на частотах сої и юг, соответствующих частотам колебаний (рис. 1.4а). При увеличении частоты столкновений (рост давления) вместо двух синусоид выделяется одна со средней частотой осцилляции Vr(cd\ + г)- По мере уменьшения длины свободного пробега ее «качество» улучшается, при этом спектр сужается: вместо двух линий получаем одну с максимумом на средней частоте (рис. 1.46). Спектральная плотность «перекачивается» из периферии спектрального кластера в его центр. Этот пример можно распространить с двух на сколь угодно большое количество линий.
Здесь у і = МЦ; Y - коэффициент интерференции первого порядка, определяемый для каждой интерферирующей линии через недиагональные элементы матрицы релаксации М как [80,81] где fit - матричный элемент дипольного момента для линии на частоте v„ а суммирование ведется по всем частотам, включая и отрицательные (как во втором слагаемом в формуле (1.19)), причем (УЬ)-І = (УІ)І, Y-j = -Yi. При этом условие слабости интерференции линий может быть записано как Му « Мц, т.е. когда недиагональные элементы матрицы релаксации много меньше диагональных.
Для учета зависимости параметра интерференции от давления и температуры используют формулы, аналогичные зависимостям для уширения и сдвига: где уі(Т) и у,(То) - нормированные на давление р параметры интерференции, п температурный показатель.
Рассмотрение эффекта интерференции играет важную роль в исследовании мм спектра кислорода, образованного переходами тонкой структуры молекулы (рис. 1.5): если при низком давлении линии все линии 60 ГГц полосы разрешаются (кривая (а)), то при повышении давления они перекрываются (кривые (б) и (в)) и в итоге сливаются в единый контур (кривая (с)). Между линиями происходит взаимодействие, которое сказывается, в первую очередь, на профиле полосы: ее результирующий контур при высоком давлении заметно отличается от суммы контуров Ван Флека - Вейскопфа (кривая (д)), описывающих изолированные линии полосы. Максимальное искажение профиля поглощения при атмосферном давлении составляет порядка 16%.
При моделировании 60 ГГц полосы поглощения необходимо учитывать не только переходы с AN= 0, AJ=±\ (линии поглощения и излучения на частотах VN± и -v//±, соответственно), но и так называемые «нерезонансные переходы», с AN= 0, AJ- 0, разрешеен-ные правилами отбора, с частотой, близкой к нулевой. В единицах коэффициента поглощения вклад этих линий очень мал (их интенсивность на 10-20 порядков ниже интенсив-ности линий JV±), но поскольку коэффициент поглощения а пропорционален v -F(v), то вклад этих линий в спектральную функцию (величина порядка oc/v ) следует учитывать. При этом взаимодействие можно разделить на два типа: взаимодействие между линиями внутри каждой полосы и линиями различных полос. Контур Розенкранца (1.19) учитывает оба эти взаимодействия в первом порядке эффекта интерференции линий.
Эффект интерференции начинает проявляться при перекрывании линий, и, строго говоря, даже если линии разделяются, как, например, для единственной изолированной при атмосферном давлении линии тонкой структуры кислорода N=1- вблизи 118 ГГц [28,81], отстоящей от основной полосы приблизительно на 20 ширин линии. Взаимодействие переходов тонкой структуры приводит к тому, что контур линии N=\- искажается [81] и это искажение составляет 1% от величины максимального поглощения в центре линии. Это искажение, рассчитанное как разность контуров FROS(V,V0) - FVvw(v,vo) при температуре 300 К и давлении 750Торр, показано на рис. 1.6, откуда следует, что для экспериментального наблюдения искажения профиля отношение сигнал/шум записи линии должно быть не менее 120.
Столкновительная связь линии кислорода N=1- с полосой поглощения на 60 ГГц приводит к «кажущемуся» сдвигу центральной частоты линии, показанному на рис. 1.7. Расчетная величина сдвига пропорциональна квадрату давления и при атмосферном давлении составляет величину порядка -44 МГц.
Центральные частоты линий и молекулярные константы
Этот эффект состоит в сужении доплеровского контура под действием столкновений. Контур Доплера справедлив, только если скорость каждого осциллятора сохраняется сколь угодно долго. Если же она сохраняется только в течение времени to, то, согласно модели Лоренца, бесконечно узкая линия на частоте vo-(l-u/c), где и - скорость молекулы, уширяется и возникает линия с шириной 1/27% Это уширение связано с обрывом цуга волн при изменении скорости молекулы. В этой ситуации линии уже не изолированы. Так как при столкновениях молекулы меняют скорость, а, следовательно, и частоту, то возникает эффект, аналогичный интерференции линий, - контур сужается. Влияние этого эффекта существенно, когда длина волны больше длины свободного пробега поглощающей молекулы. Однако эффект будет наблюдаем, если контур столкновительного уширения уже доплеровского.
Наибольшее распространение получили модели контура линии в предельных случаях жестких (hard) и мягких (soft) соударений. Как следствие, в формулах для контура линий появляются соответствующие параметры Р = {р uti$so }.
Модель мягких столкновений предполагает, что возмущающая молекула легче, чем поглощающая, при этом изменение скорости поглощающей молекулы в отдельном столкновении незначительно, а существенное изменение в скорости достигается большим числом столкновений [83]. Контур линии в этом случае получается в модели мягких некоррелированных по времени столкновений Галатри [84] и имеет вид: где W(x,y) - интеграл вероятности, приведенный в формуле (1.14). Если нет изменения скорости при столкновениях, то z=fl = О и формула (1.23) определяет контур Фойгта. В области больших давлений выражения (1.22) и (1.23) переходят в лоренцевский контур.
Ни одна из описанных выше моделей для контура линии не является универсальной. Это приводит к тому, что значения одних и тех же параметров линий, полученные в экспериментах с использованием различных модельных функций, отличаются для одних и тех же линий. Кроме того, контур линии, хорошо описывающий экспериментальное поглощение при одних условиях, может быть не пригодным в других условиях, даже если использовать те же параметры линий. Поэтому в последнее время очень часто используются несколько контуров для обработки экспериментальных лабораторных данных и приводятся сразу несколько значений одного и того же параметра (чаще всего ширины линии), оставляя выбор «нужного» на читателя (пользователя). Для атмосферных приложений наиболее часто используются модели контура линий Лоренца, Ван Флека -Вейскопфа и Фойгта. Для учета эффекта интерференции, например, при описании мм спектра поглощения кислорода, используется контур Розенкранца. Это связано, прежде всего, с тем, что с вычислительной точки зрения они наиболее удобны для применения. При этом для моделирования профиля атмосферного поглощения при заданных значениях температуры, давления и влажности требуется от 10 до 12 параметров для каждой линии, число которых может варьироваться от нескольких десятков до нескольких сотен. Эти параметры линий могут быть получены только в эксперименте с использованием различных спектрометров. Так, например, исследования уширения переходов тонкой структуры кислорода вблизи 60 ГГц необходимо проводить при относительно низком давлении, когда все линии полосы разрешаются. В то же время, эффект столкновительной связи линий заметно проявляется при более высоком давлении, близкому к атмосферному, а для определения центров линий с высокой точностью порядка нескольких килогерц ширина линии не должна превышать нескольких сотен килогерц, что соответствует давлению порядка 0.1-0.5 Торр. Поэтому для комплексного исследования характеристик линий кислорода необходимо использование нескольких спектрометров.
Лабораторные [25,79,85-89] и полевые [15,16,90-92] измерения коэффициента поглощения в окнах относительной прозрачности атмосферы Земли в сантиметровом (см), мм, субмм и ИК диапазонах длин волн позволяют однозначно говорить о превышении измеренного поглощения над теоретическим, рассчитанным через сумму контуров всех линий водяного пара и кислорода с известными параметрами линий. Естественно, что величина этого избыточного поглощения зависит от того, какой контур используется для описания профиля линий, а ее рост с увеличением влажности говорит о том, что это поглощение связано с водяным паром. Такое избыточное поглощение называют нерезонансным или континуальным (континуум). Эти обозначения и дальше будут использоваться в тексте диссертации.
За все время существования этой проблемы было предложено несколько теоретических моделей для описания континуального поглощения мм, субмм и ИК волн. Во-первых, обсуждалась уже упомянутая проблема «нефизичности» далеких крыльев линий и были предложены уточнения их формы в различных предположениях о характере межмолекулярного поглощения [93,94]. Во-вторых, одним из возможных механизмов избыточного поглощения Викторовой и Жевакиным [95] было предложено поглощение излучения димерами водяного пара. Как известно, при помощи водородной связи может происходить сцепление двух и более молекул НгО в одну сложную молекулу типа (НгО),,, где п = 2,3,... (рис. 1.7). Недавние исследования [96] таких кластеров с помощью масс-спектрографа при низких температурах показали, что крупные кластеры (п 8) электрически более упорядочены и обладают большим дипольным моментом, поэтому даже при сравнительно малой их концентрации в атмосферном воздухе они могут вносить существенный вклад в поглощение. Кроме того, помимо ассоциации молекул НгО возможно также образование молекулярных слабосвязанных комплексов типа H2O-N2, Н2О-О2, Н2О-СО2 [97], которые также могут являться причиной континуального поглощения. Наконец, среди прочих механизмов рассматривается поглощение, индуцированное столкновениями между основными составляющими земной атмосферы: N2-N2, 02-02, N2-02 [98-101].
Эти теоретические работы, касающиеся физических моделей поглощения волн мм, субмм и ИК диапазонов, хотя и значительно продвинули понимание механизмов отдельных физических процессов, но в целом пока не привели к существенному улучшению ситуации. Поэтому в настоящее время для различных практических приложений используются эмпирические модели континуального поглощения, например, модель Либе [76,79,102], определенная для частот до 1 ТГц и включающая сравнительно небольшое число модельных параметров, получаемых из эксперимента. Эта модель континуального поглощения строится на приближении дальних крыльев линий и заключается в следующем. Независимо от формы линии коэффициент поглощения вдали от ее центра, т.е. где v- vo » уь пропорционален лоренцевой полуширине %. С другой стороны, интенсивность линии 5(7) прямо пропорциональна парциальному давлению водяного пара РР Поэтому, исходя из зависимостей (1.16) и (1.18) для полуширины у і, коэффициент континуального поглощения ac(v), получающийся суммированием крыльев многих линий, можно определить в общем виде как [76]:
Континуальное поглощение в смеси водяного пара с азотом
За последние десятилетия техника мм/субмм спектроскопии развивалась достаточно быстрыми темпами, так что из некогда «экзотического», доступного лишь нескольким лабораториям мира, мм/субмм диапазон превратился в обычный для спектроскопических исследований.
В состав любого спектрометра должны входить три базовых элемента: источник излучения, газовая ячейка и приемник. Выделяют два типа приемников: регистрирующие изменение параметров излучения; 2) регистрирующие изменение свойств газа.
Спектрометры разных типов любого диапазона длин волн, в том числе и мм/субмм, обладают своими достоинствами и недостатками, наилучшим образом подходят для измерения тех или иных параметров молекулярных линий. Естественно, что одновременное использование спектрометров нескольких типов позволяет осуществлять комплексное исследование параметров линий с высокой точностью. В то же время, те параметры линий, которые могут быть независимо измерены на этих спектрометрах, являются своего рода критерием достоверности и качества получаемых экспериментальных данных.
В данной работе для исследования параметров линий и континуального поглощения мм/субмм диапазона длин волн используется комплекс спектрометров, существенно отличающихся как принципом измерения, так и диапазоном рабочим давлений. Это позволяет исследовать различные эффекты межмолекулярного взаимодействия, проявляющиеся при разных давлениях.
Входящий в состав комплекса спектрометр с радиоакустическим детектированием поглощения (спектрометр РАД) с синтезатором частоты на основе лампы обратной волны (ЛОВ) в качестве источника излучения по типу приема относится ко второму классу спектрометров и линии поглощения наблюдается на нулевом уровне мощности в отличие, например, от обычных видео спектрометров. Спектрометр РАД позволяет исследовать профили поглощения молекулярных спектральных линий в мм/субмм диапазоне длин волн при давлениях от десятков миллиторр до 10 торр. Благодаря столь широкому диапазону рабочих давлений, спектрометр РАД идеально подходит для измерения центральных частот и столкновительных параметров спектральных линий и в первую очередь - коэффициентов уширения и сдвига. В тоже время, недостатком спектрометра является то, что с его помощью пока не представляется возможным измерение таких важных характеристик линий, как интегральная интенсивность и коэффициенты столкновительной связи.
Для измерения величины абсолютного поглощения излучения в исследуемом газовом образце часто используются объемные резонаторы, а спектрометры такого типа называются резонаторными. Использование резонаторного спектрометра в комплексе со спектрометром РАД для исследования поглощения излучения в газах обладает рядом преимуществ по сравнению с другими методами исследования. Во-первых, зная параметры резонатора, не представляется трудностью рассчитать распределение поля и параметры пучка в резонаторе. Во-вторых, коэффициент поглощения в образце, заполняющем резонатор, определяется через изменение ширины резонансной кривой нагруженного и пустого резонаторов на частотах, соответствующих собственным модам резонатора. Эти измерения поглощения относятся к разряду частотных измерений и являются более точными на сегодняшний день по сравнению с измерениями амплитуды. В-третьих, резонаторный спектрометр, в отличие, например, от спектрометра РАД, позволяет измерять величину абсолютного поглощения в образце, заполняющем резонатор, и, в частности, интенсивность спектральных линий и континуальное поглощение, играющих важную роль для атмосферных приложений. В-четвертых, эффективную длину пути Ьзфф, связанную с добротностью резонатора Q и длиной волны X
как I .. = — можно увеличить за счет повышения добротности резонатора (уменьшение собственных потерь резонатора), улучшая тем самым чувствительность спектрометра по поглощению.
Одним из важнейших факторов, влияющих на точность получаемой информации о параметрах линий, является аппаратная функция спектрометра (см., например, [104]), присутствующая в спектрометрах любого типа. Точность измеряемых величин зависит от того, насколько качественно произведен учет аппаратной функции. Так, например, в видео спектрометрах для уменьшения влияния стоячих волн производят многократную запись спектра при разных положениях источника излучения, ячейки и детектора друг относительно друга, усредняя затем либо сами записи, либо полученные параметры [104].
В спектрометрах, входящих в состав комплекса, также присутствует аппаратная функция. В спектрометре РАД, описание и принцип работы которого приведены в параграфе 2.2, реализована близость к «нулевому» принципу приема и в первом порядке аппаратная функция отсутствует. Однако при работе в длинноволновой (от нескольких мм до см) части диапазона рабочих частот спектрометра возникает сигнал аппаратной функции, синхронный с сигналом от линии поглощения, вызванный вторичным разогревом газа окнами ячейки, поглотившими часть мощности излучения. В результате в выходном сигнале аппаратная функция проявляется в виде «пьедестала» со сложной зависимостью от частоты вследствие, например, интерференции в СВЧ тракте. В параграфе 2.2 (пункт 2.2.2) проводится анализ аппаратной функции спектрометра РАД и предлагаются экспериментальный и модельный методы ее учета, позволяющие повысить точность получаемых параметров молекулярных линий.
Аппаратная функция резонаторного спектрометра, детальное рассмотрение которого представлено в параграфе 2.3, определяется собственными потерями резонатора Фабри-Перо, являющегося измерительным элементом спектрометра. В используемой конфигурации резонатора собственные потери сравнимы или превышают потери мощности излучения в газообразном образце, заполняющем резонатор, что ограничивает точность получаемой информации о величине поглощения. Рассмотренный в параграфе 2.3 экспериментальный метод учета аппаратной функции резонаторного спектрометра, основанный на замещении исследуемого образца не поглощающим в мм/субмм диапазоне частот газом, позволяет повысить чувствительность спектрометра по поглощению и увеличить точность определения параметров молекулярных линий и континуального поглощения.
