sobchuk

63 Лазерная установка для определения атмосферных загрязнения на большой длине луча.

Рис. 63.1 Блок-схема установки лазерного зондирования на большой длине луча

1 — холодильник с замкнутым циклом; 2 — регулятор криогенной температуры; 3

—компрессор криостата; 4 — источник питания лазера; 5—8 — контур обратной связи опорного сигнала; 6 — демодулятор опорного сигнала, 2f = 2000 Гц; 9 — приемник опорного сигнала; 10 — приемник сигнала; 12 —калибровочная кювета; 15

—эталонная кювета; 16 — внеосевой параболоид, фокусное расстояние 66 см; 17—19

—интерферометр Фабри — Перо; 20 — регулятор температуры интерферометра Фабри — Перо; 21 — привод интерферометра Фабри — Перо; 22 — генератор функции-, 23—28 — система синхронизации; 25 — усилитель регулирующего напряжения; 27 — дифференцирующий демодулятор; 29 — ленточный самописеи; 30

—инжекционный лазер.

Пример лазерной установки с перестраиваемым инжекционным лазером для определения концентрации атмосферных загрязнений на большой длине луча в атмосфере приведен на рис. 63.1. Активным элементом является инжекционный лазер 30, помещенный в холодильник с замкнутым циклом 1. Выходное излучение этого лазера модулируется по частоте на 1 кГц и амплитуде на 100 Гц до коллимации внеосевым параболоидом 16. Сигнал, выходящий из приемника 10, поступает в систему синхронизации 23—28. Уход частоты на выходе минимизируется путем пропускания части луча через кювету с эталонным газом (в данном случае СО) в приемник опорного сигнала 9 и затем при использовании второй гармоники частоты модуляции в качестве сигнала обратной связи—в контур обратной связи опорного сигнала 5—8. Выходящий из лазера луч проходит через сканирующий эталон Фабри— Перо 17—19, обеспечивающий работу только на одной моде. Этот эталон использовался также для осуществления модуляции на 100 Гц.

Установка является портативной и перевозится в фургоне. Она используется для обнаружения атмосферного СО. Порог обнаружения СО на длине 400 м составляет 4,6∙10-4 % с размахом шумовых колебаний 6∙10-6 %.

Блок-схема лазерного спектрометра показана на Рис. 63.2.

1— кювета Уайта; 2 — прерыватель; 3 — диод; 4 — охлаждаемый лазерный активный элемент; 5 — источник питания лазера; 6 — германиевый эталон или газоразрядная трубка СО2-лазера; 7 — спектрометр 0,5 м; 8 — приемник; 9 — синхронизирующий усилитель; 10 — двухкоординатный самописец; L1, L2 — линзы на выходе лазера и входе в приемник соответственно.

Выходной луч лазера механически прерывается с частотой 150 Гц, затем фокусируется в кювете Уайта. Луч из кюветы Уайта проходит через 0,5-метровый спектрометр для отделения продольных мод инжекционного лазера и затем попадает в приемник на HgCdTe. Оптический путь может включать германиевый эталон или газоразрядную трубку СО2-лазера для калибровки длины волны.

64. Лидар. Обнаружение аэрозольных примесей.

Лазерный локатор лидар (англ. LIDAR от Light Detection And Ranging — лазерное обнаружение и определение дальности). Распространение лазерного луча в атмосфере сопровождается различными процессами, приводящими к его ослаблению. Рассмотрим взаимодействия с аэрозольной составляющей атмосферы для определения свойств атмосферы способом дистанционного зондирования.

Стандартные измерения методом лидар включают прохождение через атмосферу короткого лазерного импульса. Степень рассеяния фотонов из луча зависит от локальных концентраций частиц в атмосфере на пути распространения луча. Таким образом, если рассеянный свет собирать с помощью телескопа, можно определить концентрацию частиц. Так как лазерный импульс распространяется с постоянной скоростью, по зависимости отраженной компоненты от времени можно непосредственно определить расстояние.

Уравнение лидара связывает мощность, полученную собирающим телескопом, с начальной и может быть записано в различных формах.В упрощенном виде

				∆
			= ∙		∙ exp −2
				2
						0
	где PR и РT — соответственно мощности принятого и испущенного излучения; ∆R =
cη/2 — интервал, соответствующий половине пространственной							длины импульса
на	расстоянии	R; η — длительность импульса; β(R) — объемный коэффициент

обратного рассеяния, м-1 ∙ ср-1; А — площадь телескопа; η(r) — коэффициент ослабления в атмосфере. Предполагается, что излучатель и приемник расположены в одном месте. И β и α зависят от концентрации аэрозоля в атмосфере на пути распространения луча.

Коэффициент ослабления α зависит от поглощения загрязняющими примесями, мерой ослабления аэрозолями в режиме рэлеевского рассеяния, получим βрэл ≈ αрэл/4π. Таким образом, в условиях чистой атмосферы β = 1,5α/4π. В случае рассеяния Ми это простое соотношение несправедливо, хотя по порядку величины β ~ α.

Особенности измерений лидаром характеристик облаков.

1. Точное измерение высоты облачного покрова и ее временных и пространственных измеений. 2. Определение оптической толщины облаков и их морфологии. 3. Измерения облаков верхнего яруса. 4. Исследование осаждения и образования центров конденсации в облаках. 5. Измерения волновой структуры в облаках. 6. Измерения скорости ветра.

Основная часть исследований лидарами проводится с использованием рубинового или неодимового лазеров. Этот выбор обусловлен тем, что обратное рассеяние атмосферными частицами максимально при 2πα/λ ~ 5, где α — радиус частицы, λ — длина волны лазерного излучения. Так как рассеяние максимально при α ~ λ, лазеры с длинами волн в видимой области или при ~ 1 мкм можно использовать для обнаружения частиц с размерами 1‒2 мкм. При λ = 10 мкм максимум рассеяния Ми достигается только при α ~ 10 мкм. Таким образом, установки лидар на 10 мкм мало используются в диагностике облаков. С другой стороны, лучи лидара с λ = 10,6 мкм значительно меньше ослабляются в запыленных атмосферах с низкой влажностью.

ИК-установка лидар используется для измерений ИК-ослабления	в воздухе.
Импульсы ТЕА-лазера (1 Дж) на нескольких лазерных длинах волн СО2	проходили

через атмосферу, и измерялось обратное отражение. По наклону кривой зависимости интенсивности рассеянного назад луча от дальности определяли α. Так как излучение СО2-лазера поглощается различными молекулами атмосферы и одновременно рассеивается аэрозолем атмосферы, α содержит вклад нескольких источников ослабления. Измеренные значения α составляли ~ 0,2—1,4 км-1.

Одним из наиболее важных применений лидара является контролирование аэрозольной компоненты выбросов точечных источников загрязнений. Эти исследования дают ценную информацию о распределении по размерам примесей и рассеивании султанов индустриального дыма. Сочетание диал с лазерным комбинационным рассеянием позволяет наряду с концентрацией аэрозоля одновременно определять химический состав султана.

Много полезной диагностической информации можно получить из измерений поляризации обратного сигнала лидара. По деполяризации первоначально поляризованного луча можно судить о форме размерах и составе облачного аэрозоля. Известно, что в водно-капельных облаках линейная поляризация строго сохраняется, но наблюдается вращение плоскости поляризации и частичная эллиптичность.

65. Лазерные дистанционные измерения скорости ветра. Схема установки.

Описан ряд способов дистанционного лазерного измерения скорости, в к-х используется один из двух основных методов.

Измерение доплеровского сдвига. Доплеровский сдвиг длин волн света, рассеянного отдельными частицами аэрозоля, измеряется с помощью оптического гетеродинирования при сопоставлении с нерассеянным лучом. По измеренному сдвигу определяется скорость.

Модуляция интенсивности. Два луча одного и того же лазера накладываются друг на друга в некотором объеме пространства в месте измерения скорости ветра. Это приводит к интерференции в исследуемом объеме. Частицы, движущиеся в этом объеме, попадают в периодическое световое поле, и происходит модуляция рассеянного света. Рассеянный свет измеряется без сопоставления с начальным.

Некоторые способы и их применения к диагностике атмосферы.

Простой лазерный доплеровский измеритель скорости показан на Рис. 65.1. Луч стабилизированного по частоте лазера фокусируется в некотором удаленном объеме пространства, где он рассеивается атмосферными аэрозолями, движущимися под действием ветра. Рассеянное излучение приобретает доплеровский сдвиг по частоте, обусловленный компонентой скорости вдоль оптической оси системы. Затем оно возвращается обратно к лазеру, где усиливается. Обе компоненты смешиваются затем в квадратичном приемнике, с помощью которого определяется доплеровская частота.

Соотношение между доплеровским сдвигом ∆v и скоростью ветра имеет вид:

∆ = 2 ∙ ∙ cos ( )

где θ — угол между направлением ветра и оптической осью. Вводя компоненту скорости , получим

∆v = 188,67 V кГц при λ= 10,6 мкм, ∆v = 3887,3 V кГц при λ = 514,5 нм,

где скорость V выражена в м/с. Очевидно, что при λ = 10,6 мкм типичным скоростям ветра соответствует интервал ∆v ~ 105 — 107 Гц.

Установки такого типа с непрерывным СО2-лазером использовалась для измерения скоростей ветра на расстоянии ~ 300 м. Описан доплеровский измеритель скорости на основе Аг+-лазера. Для анализа рассеянного назад сигнала использовался сканирующий интерферометр Фабри—Перо. Разрешение по измеряемому расстоянию достигалось перекрытием лазерного луча и включением системы счета фотонов с соответствующим запаздыванием. Достигнута дальность измерений 750 м. Среднеквадратичная погрешность измерений радиальной компоненты скорости ветра составляет ±0,27 м/с.

Эти измерения дают информацию только о радиальной (т.е. параллельной оптической оси) компоненте скорости. Также можно по пульсациям интенсивности рассеянного назад сигнала с доплеровским смещением определить поперечную составляющую скорости ветра. С использованием непрерывного СО2-лазера были выполнены измерения как радиальной, так и поперечной компонент скорости ветра на расстоянии 100 м.

66. Двухлучевой лазерный измеритель скорости.

Сообщается о разработке двухлучевого лазерного анемометра, i котором в приемник поступают четыре рассеянных луча, обеспечивая одновременную информацию о радиальной и поперечной компонентах скорости ветра. Геометрия рассеяния показана

	на рис.66.1.
	Сдвиги частот исходного сигнала:
	∆1	=	−	2	∙	∙ cos			+ ∙ sin
							2			2
	∆2	=	−	2	∙	∙ cos			− ∙ sin
							2			2

Сдвиг частоты, связанный с межлучевой компонентой, рассеянной из одного луча в

другой:∆ = −	2	∙ ∙ cos
0			2

Эти три компоненты при сопоставлении с частотой исходного сигнала дают триплет

выходных сигналов. Средний сдвиг частоты vL данной группы:
=	−	2	∙

Частота vL пропорциональна радиальной компоненте скорости. Внутритриплетная частота биений пропорциональна поперечной компоненте скорости ветра:

	=	−		∙

Типичные значения частот vL ~ 500 кГц, vT ~ 3 кГц.

Для дистанционного измерения компонент скорости применялась двухчастотная доплеровская установка лидар с широкой базой. Для зондирования использовались два отдельных луча с частотами v1 и v2, такими, что разность δ= v1 — v2 попадает в микроволновую область. В обоих лучах наблюдались различные доплеровские сдвиги частот ∆v1 и ∆v2, такие, что ∆v1 – ∆v2= ∆δ. Обработка рассеянного назад сигнала дает величину ∆δ, по которой определяется компонента скорости ветра. Описан прототип системы на основе Аг+-лазера.

Описана лазерная установка для определения скорости ветра по времени пролета частиц через луч. Геометрия измерений показана на рис. 66.2. В области, возбуждаемой лазерными импульсами, оптически выделяются два объема мишени. Корреляция сигналов из этих двух объемов может быть соотнесена со скоростью ветра. Сигналы от каждого объема усредняются и коррелируются. Показано, что с помощью прототипа системы, использующей импульсный N2-лазер с расходимостью луча 2,5 ∙ 7,5 мрад, можно измерить скорость ветра в интервале значений 1,25 ≤ v ≤ 75 м/с. Показано, что в некоторых условиях лазерный доплеровский анемометр при дистанционном определении скорости ветра уступает по точности установке для измерения скорости по времени пролета.

В прототипе установки расстояние между объемами мишени 1,25 м и расстояние от лазерного излучателя 250 м. Протяженность объема мишени вдоль луча определяется длительностью лазерного импульса.

Лазерная анемометрия широко применяется во многих других системах с потоками частиц. Ряд применений включает исследование движения частиц при горении, в аэродинамических трубах, в двигателях внутреннего сгорания и в продуктах истечения из сопла ракеты.

67. Лидар с комбинационным рассеянием света

Явление комбинационного рассеяния (КР) широко используете в лабораторном химическом анализе. Спектроскопия комбинационного рассеяния применяется в исследовании атмосферы. Являясь производным стандартного метода лидар, этот метод ценен тем, что позволяет идентифицировать с пространственным разрешением весь набор химических веществ атмосферы в реальном масштабе времени. Недостатками метода являются низкий уровень сигнала и необходимость использования высокоэнергетических лазерных импульсов с длиной волны в УФобласти.

Смещение частоты при комбинационном рассеянии обусловлено возбуждением активных колебательных переходов в молекулах газа вдоль пути распространения лазерного луча. Смещение по энергии составляет обычно 500—3500 см-1. Спектры комбинационного рассеяния света на отдельных молекулах являются результатом наложения большого числа вращательных линий. Это приводит к образованию относительно широких комбинационных спектров, хотя выделение Q-ветви уменьшает этот эффект. На рис. 67.1 показаны сдвиги по энергии в спектре комбинационного рассеяния света на различных рассеивателях. Смещение по длине волны отдельных линий спектра комбинационного рассеяния относительно возбуждающей линии уменьшается с уменьшением длины волны.

Число рассеянных фотонов связано с параметрами системы сле-дующим уравнением:

		=		∙		∙ 0,	∙ ,		∙ ξ		∙ ( )
					2			2

где n(R) — число фотонов, регистрируемых на частоте v в течение интервала времени η; R = ct/2 — дальность; t — время от начала лазерного импульса; Е — энергия лазерного импульса; T — пропускательная способность атмосферы между 0 и R на длине волны возбуждающей линий λо и линии λ спектра комбинационного рассеяния; А — площадь приемника; ξ — коэффициент пропускания приемника; η — квантовый к.п.д. фотоумножителя; N(R) — концентрация рассеивателей; (dζ/dΩ)v — сечение комбинационного рассеяния.

Простая установка лидар с комбинационным рассеянием света показана схематически на рис. 67.2 (Блок-схема лидара с комбинационным рассеянием света на основе рубинового лазера с модуляцией добротности). Импульсы рубинового лазера с модуляцией добротности длительностью 20 нc коллимируются те-лескопом. Обратный сигнал собирается зеркалом диаметром 30 см с фокусным расстоянием 150 см. Для отделения рэлеевской компо-ненты и выбора требуемой линии спектра комбинационного рассея-ния служит монохроматор с блокирующим фильтром.

1 — телескоп излучателя (D=5 см); 2 — телескоп приемника (D = 30 см); 3 — рубиновый лазер с модуляцией добротности; 4 — фотодиод; 5 — источник питания и блок управления; 6 — двухлучевой осциллограф; 7 — блокирующий фильтр; 8 — рассеиватели; 9 — монохроматор; 10 — фотоумножитель RCA 7265; 11 — источник питания.

В обширном исследовании выявлены факторы, ограничивающие чувствительность метода лидар с комбинацион-ным рассеянием.

Фон неба. От фона неба в систему регистрации поступают фотоны.

Упругое обратное рассеяние. Оно обусловлено рэлеевским рас-сеянием атмосферными молекулами и рассеянием Ми аэрозолями. Так как это рассеяние происходит на длине волны линии возбужде-ния, рассеянное излучение можно устранить с помощью интерфе-ренционных фильтров или монохроматора.

Флюоресценция аэрозолей. Поглощение в возбуждающей лазер-ной линии может вызвать флюоресценцию аэрозолей. В чистом воздухе этот эффект приводит к незначительной интерференции.

Рассеяние молекулами в конденсированном состоянии. Оно обычно связано только с наличием Н2О. Так как Н2О может быть в жидком и газообразном состояниях, комбинационное рассеяние вызывают обе фазы. Обычное соотношение обоих сигналов оцени-вается как Iжидк/Iпар ~ 10-2 при равных количествах Н2О в жидкой и газообразной фазах. Аналогичные эффекты ожидаются для таких молекул, как SO2, которые могут находиться в виде включений в аэрозольных частицах.

Динамические границы сигнала. Точность измерений строго ограничена слишком сильными сигналами от ближних рассеивате-лей и слишком слабыми сигналами от удаленных рассеивателей.

Изменения в атмосфере. Изменения состава атмосферы могут ограничивать точность измерений из-за изменения ослабления в атмосфере между лазерными импульсами или группами лазерных импульсов.

Лидары с комбинационным рассеянием имеют малую дальность действия, что ограничивает возможности их применения для дистанционного зондирования локализованных источников. Имеются сообщения о применении этой системы для определения загрязнений в султанах дымовых труб и других дискретных источниках излучения.

Возможно использование лидаров с комбинационным рассеянием для получения атмосферных распределений температуры. Так как распределение интенсивности во вращательном спектре комбинационного рассеяния определяется температурой окружающей среды, измерение этого распределения дает информацию о температуре. Такие данные могут быть получены, если интенсивность во вращательной полосе отраженного сигнала измеряется на двух длинах волн в спектральном распределении интенсивности этой полос. Разработка этого способа привела к созданию чувствительного метода локации температуры с помощью лидара.

68. Лазерное дистанционное определение качества воды.

Рис. 68.1

1- приемник флуоресцирующего излучения

2- приемник обратного рассеянного излучения

3- телескоп

4- осциллограф

5- N2 лазер

6- измеритель мощности

Установка осуществляет измерение через возбуждение флуоресценции либо колебательного рассеяния на воде. Флуоресцирующий метод используется для определения нефтяных пятен на воде. Активным элементом установки является лазер к-ый может давать мощность импульса 100кВт, η =10 нс, частота повторения 100 Гц.

Интенсивность флуоресценции осуществляется с помощью фильтра имеющего макс. пропускания на 460 нм. Дальность обнаружения 1,5 км.

При 400 нм – легкая нефть, 500 – сырая, 550 нм – тяжелая.

Более точно идентифицировать нефтяные продукты можно используя двух волновое излучение. Измеряется интенсивность флуоресценции на данной длине волны. λ возбуждения сканируется в определенном диапазоне. Лазерными флюорометрами дистанционного зондирования можно идентифицировать различные нефтяные продукты.

Нефтяные пленки на воде можно анализировать по возбужденным лазером спектрам колебательного рассеивания.

Достоинство: Дает дополнительную информацию о химическом составе. Недостаток: в наблюдении спектра колебательного рассеяния – сама вода выбирает

излучение флуоресценции, и этот аспект нужно учитывать.

Лазерные флуорометры с длиной волны 590 нм можно использовать для дистанционного определения биоорганизмов в воде.

69 Методы измерения радиоактивности излучения.

Под активностью радионуклида А понимается отношение числа AN спонтанных переходов из определенного ядерно-энергетического состояния радионуклида, происходящих в источнике за интервал времени At, к этому интервалу времени. В С ‒

один распад в секунду, или беккерель (Бк). Применяться внесистемная единица — кюри (Ки).1 Ки = 3,700-1010 Бк.

Поскольку радиоактивные вещества могут находиться в раз-личных физических состояниях, наряду с основным понятием активности используются производные от нее величины.

Удельная активность источника Аm — отношение активности А радионуклида в источнике к массе m источника или к массе элемента, соединения. (Бк/кг)

Объемная активность источника Av — отношение активности А радионуклида в источнике к его объему V. Бк/м3.

Поверхностная активность источника As — отношение активности А радионуклида в источнике, распределенной на поверхности источника, к площади S этой поверхности. Бк/м2.

Методы абсолютных измерений

Метод абсолютного счета заряженных частиц и фотонов основан на знании числа частиц или фотонов, испускаемых при каждом акте распада нуклида, и их регистрации в выбранном телесном угле. Существует несколько разновидностей этого метода: Метод определенного телесного угла, метод 4π-счета, метод счетчиков внутреннего наполнения.

Метод определенного телесного угла применяется в основном при измерении осизлучения и низкоэнергетического фотонного излучения (1—80 кэВ). При этом используются пропорциональные счетчики, сцинтилляторы из ZnS, тонкие кристаллы из CsI, а также полупроводниковые детекторы. Погрешность измерений активности оценивается в 0,1% для α-излучения и 1% для фотонного излучения. Менее перспективен данный метод для измерения активности по β-излучению, поскольку наличие большого числа поправочных коэффициентов увеличивает погрешность метода до 5 – 10%.

Метод 4π-счета предназначен для измерения активности α-и β-излучающих нуклидов. Он реализуется с помощью счетчиков Гейгера — Мюллера, пропорциональных 4π-счетчиков, монокристаллических сцинтилляционных детекторов, а также детекторов на основе жидких сцинтилляторов. Погрешность определения удельной активности α- и β-излучателей при использовании пропорциональных счетчиков оценивается в 0,3—0,5%, а с помощью жидких сцинтилляторов 0,2—0,3% (для β-излучателей с Eβмакс > > 150 кэВ) и 0,05—0,1% (для α-излучателей). Для низкоэнергетических β-излучателей погрешность измерения активности составляет 1—3% .

Метод счетчиков внутреннего наполнения, или метод внутреннего газового счета, применяется для изменения активности нуклидов с малой энергией β-частиц (3Н, 14С, 25S и др.). Используются пропорциональные счетчики, в которых предусмотрены меры по исключению концевого эффекта. Погрешность измерения активности низкоэнергетических β-излучателей составляет примерно 1% .

Метод совпадений используется для измерения активности нуклидов, распад которых сопровождается, испусканием одного или нескольких фотонов γ- или рентгеновского излучения. При измерении активности этим методом регистрируются совпадения между α-частицами и фотонами (αγ-совпадения), между двумя γ-квантами (γγ -совпадения), между β -частицами и фотонами (βγ-совпадения) и т. д. Данный метод реализуется с помощью установок совпадений, имеющих два измерительных канала, в каждом из которых используется детектор с максимальной чувствительностью к одному виду излучения. Измерительные каналы работают как в самостоятельном режиме, так и в режиме совпадений.

Для наиболее простого случая, когда распад осуществляется с испусканием одной частицы, сопровождаемой одним фотоном, активность определяется по формуле

A= N1N2/N12,(69.1)

где N1—скорость счета частиц в измерительном канале 1; N2 –фотонов в измерительном канале 2; N12 —частиц и фотонов в режиме совпадений.

Для нуклидов с более сложной схемой распада формула 69.3 усложняется, и в ней появляются члены, зависящие от эффективности регистрации детекторами соответствующих видов излучения и параметров схемы распада. Существующая разновидность метода совпадений — экстраполяционный метод — обеспечивает измерение активности без привлечения параметров схем распада нуклидов и эффективности регистрации. Метод совпадений, объединенный с методом радиоактивной метки , дает также возможность измерять активность чистых β- излучателей или нуклидов, претерпевающих электронный захват без испускания γ- излучения. Метод совпадений широко используется в метрологической практике многих стран. Анализ результатов, полученных с помощью метода совпадений и его разновидностей, позволяет сделать заключение о том, что он может обеспечить измерение активности α-излучающих нуклидов с погрешностью 0,1—0,3%, β-, γ- излучающих нуклидов — 0,2—1%, электронозахватных нуклидов— 1—2% .

Метод ионизационной камеры основан на ионизационном эффекте, создаваемом излучением в рабочем объеме ионизационной камеры. Для случая, когда излучение полностью поглощается в газе ионизационной камеры, активность рассчитывается по формуле

A=IW/(eE),	(69.2)
где I— сила ионизационного тока	в цепи камеры; W — средняя энергия

ионообразования; е — заряд электрона; Е — энергия α-частиц или средняя энергия β- частиц.

Метод применим и для измерения активности γ-излучающих нуклидов. Камера должна быть отградуирована по образцовому источнику или раствору, следовательно, метод не будет абсолютным. Метод ионизационной камеры используется для измерения активности в диапазоне 106—109 Бк. Метод не обеспечивает высокой точности, но применяется в тех случаях, когда требуется быстрое определение активности, а также в качестве контрольного при сравнении результатов измерений, полученных различными абсолютными методами.

Калориметрический метод основан на физическом явлении, заключающемся в выделении энергии при радиоактивном распаде. При помещении радиоактивного препарата в калориметр последний будет нагреваться за счет поглощения в его объеме