Введение к работе
Диссертационная работа посвящена разработке и исследованию средств контроля молекулярного водорода в газовых смесях.
Объектом исследования являются средства регистрации водорода в газовых смесях.
Предметом исследования является нелинейно-оптический метод регистрации водорода, основанный на когерентном антистоксовом рассеянии света с применением бигармонической лазерной накачки на. основе вынужденного комбинационного рассеяния.
Актуальность темы. В настоящее время актуальна проблема контроля молекулярного водорода в составе газовых сред. Это связано с тем, что водород как технический продукт широко используют во многих отраслях - в технологических процессах переработки нефти, производства аммиака, метанола, в металлургической промышленности. Водород рассматривается как универсальный теплоноситель и как аккумулятор энергии. Весьма перспективно использование водорода в качестве горючего в транспортных средствах. Широкое использование водорода в качестве универсального экологически чистого энергоносителя и сырья позволит более эффективно решать многие важные энергетические и технологические проблемы. При практическом решении конкретных задач, связанных с использованием водорода, необходим постоянный и оперативный контроль протекающих процессов. Например, для исключения проблем при транспортировании и использовании водорода в силу широких границ его взрываемости и незначительной энергии, необходимой для его воспламенения. Необходимо создание надежных методов индикации утечек водорода на всех стадиях от получения до применения. В связи с этим является весьма актуальной проблема оперативной регистрации малых концентраций молекулярного водорода в воздухе. Оценка содержания водорода в воздухе необходима и для контроля окружающей среды, а также в ряде задач геофизики и геохимии.
Являясь широко распространенным в природе и одновременно химически активным элементом, водород присутствует в любом материале, в том или ином количестве, и заметно влияет на его свойства. В частности для сталей и других материалов, применяемых в машиностроении, содержание водорода регламентируется стандартами и техническими условиями на металлургическую продукцию. Поэтому важным элементом технологии изготовления продукции должен быть экспресс-анализ на водород. Несмотря на все разнообразие, методов ^егиг.тратши .водорода,
они не обладают высокой чувствительностью и необходимой селективностью, либо не обеспечивают достаточно быстрых результатов анализа, что необходимо в ряде технологических процессов. Одним из перспективных, но не достаточно изученных, подходов к решению этой задачи считается использование метода нелинейно-оптической лазерной спектроскопии когерентного антистоксова рассеяния света (КАРС). Для реализации метода КАРС необходимо иметь подходящий источник лазерного излучения, генератор бигармонической лазерной накачки и соответствующую систему регистрации интенсивности оптического сигнала. Одним из методов получения бигармонической накачки является вынужденное комбинационное рассеяние света (ВКР). Ввиду своей высокой степени избирательности метод ВКР-КАРС позволяет вести контроль малых концентраций водорода в присутствии посторонних газов, не требуя дополнительных процессов очистки исследуемой пробы. Также возможно его применение и для контроля содержания водорода в твердых веществах и жидкостях после перевода растворенного водорода в газовую фазу любым известным способом.
В связи с этим, представляется актуальным исследование и развитие метода диагностики молекулярного водорода в различных газовых средах на основе ВКР-КАРС спектроскопии.
Целью работы является исследование и развитие средств регистрации и анализа молекулярного водорода в газовых средах на основе нелинейно-оптического метода ВКР-КАРС спектроскопии.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
Усовершенствование методики ВКР-КАРС диагностики водорода в газовых смесях с учетом эффектов столкновений и интерференции сигналов когерентного рассеяния.
Исследование эффекта столкновительного сужения Дике при ВКР-КАРС регистрации водорода в газовых смесях.
Теоретическое и экспериментальное изучение интерференции нелинейных восприимчивостей составляющих газовых сред.
Исследование нерезонансных фонов буферных газов при ВКР-КАРС диагностике.
Разработка технических средств контроля содержания водорода в металлах и сплавах.
Достоверность результатов исследований, работоспособность метода и созданного оборудования подтверждена в широкомасштабной серии физических экспериментов, а также результатами опытной эксплуатации созданного и внедренного оборудования. Обоснование
теоретических утверждений выполнено с опорой на классические физические методы. Анализ экспериментальных данных проведен с соблюдением критериев достоверности статистических испытаний и физических измерений.
Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что в ней:
1. Впервые показано, что на результаты регистрации водорода в
разреженных газовых смесях методом ВКР-КАРС оказывают влияние
эффекты столкновительного сужения Дике и интерференции нелинейных
восприимчивостей молекул буферного и детектируемого газов.
Получены приоритетные результаты по исследованию обнаруженных эффектов. В результате этих исследований установлено, что эффект столкновительного сужения Дике приводит к значительному росту интенсивности антистоксового рассеяния. Эффект интерференции нелинейных восприимчивостей молекул буферного газа и детектируемой примеси приводит к неоднозначности результатов регистрации.
Найдены эффективные способы учета или компенсации выявленных эффектов. А именно следующее. Для повышения чувствительности предложено регистрацию водорода в разреженных газовых смесях вести в среде буферного газа. Неоднозначность результатов регистрации предложено устранять за счет изменения состава и давления газовой смеси в ВКР-генераторе.
4. Созданы следующие оригинальные технические средства,
обеспечивающие оперативную регистрацию водорода в металлах и сплавах
путем извлечения его в газовую фазу с помощью локального лазерного
испарения материалов с последующей регистрацией выделившегося
водорода методом ВКР-КАРС:
устройство регистрации водорода в металлах;
измерительная камера к устройству регистрации;
электромагнитная система пространственного управления положением анализируемого образца в оптической кювете.
Практическая ценность работы состоит в том, что полученные в ней результаты и предложенные средства могут быть положены в основу новых более совершенных промышленных установок оперативного анализа и контроля газообразного водорода. Практическая значимость работы подтверждена актом о внедрении устройства для пространственного отклонения луча, используемого в составе лазерного медицинского сканера поверхностного облучения. Результаты диссертации могут использоваться в учебном процессе при подготовке специалистов в области неразрушающих методов контроля.
На защиту выносятся следующие положения:
- при диагностике водорода в газовых смесях методом ВКР-КАРС
на уровень измеряемого сигнала существенное влияние оказывают
эффекты столкновительного сужения и смещения линии комбинационно-
активного перехода, проявляющиеся при давлениях более 5 кПа;
регистрируемый сигнал ВКР-КАРС из-за интерференции нелинейных восприимчивостей молекул буферного и детектируемого газов может зависеть от концентрации водорода по параболическому закону, приводящему к неоднозначности анализа; указанная неоднозначность устранима за счет подбора состава и давления газовой смеси в кювете ВКР-генератора бигармонической лазерной накачки;
- конструкция разработанной комбинированной кюветы к
устройству для анализа водорода в металлах и сплавах методом ВКР-
КАРС;
электромагнитная система пространственного управления положением образца в оптической кювете.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы
докладывались и обсуждались на четвертой Российской университетско-
академической научно-практической конференции (Ижевск, 1999);
Международной конференции "Winter conference on plasma
spectrochemistry" (Florida, 2000); Международной конференции
"International Quantum Electronics Conference" (Москва, 2002);
Международной конференции "International Conference on Lasers,
Applications, and Technologies" (Москва, 2002); XVTI Уральской
конференции по спектроскопии (Новоуральск, 2003).
Публикации. Материалы диссертационной работы ПОЛНОСТЬЮ отражены в научных изданиях. Общее число ПУБЛИКАЦИЙ - 21, в том числе: патенты РФ на изобретения - 3, статьи в рецензируемых журналах - 5, статьи в сборниках - 1, депонированные рукописи - 2, тезисы докладов конференций - 10 (из них 3 международные).
Личный вклад. Результаты, изложенные в диссертации, получены лично соискателем. Постановка задач исследований, определение методов их решения и интерпретация результатов экспериментов выполнены совместными усилиями соавторов опубликованных работ при непосредственном участии соискателя.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, включающего 120 источников, и приложения (акт о внедрении). Работа изложена на 140 страницах, содержит 45 рисунков и 1 таблицу.
