ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2004, том 23, № 8, с. 58-66
ХИМИЯ ^^^^^^^^^^^^^^^^ АТМОСФЕРЫ
УДК 621.378.33+505.510
ДЕТЕКТИРОВАНИЕ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЯ С ПОМОЩЬЮ С02- И СО-ЛАЗЕРОВ
© 2004 г. С. В. Иванов*, А. А. Моими, А. А. Котков, А. Ю. Козлов, Л. В. Селезнев,
Д. В. Синицын, О. Г. Бузыкин**
Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, Москва
E-mail: aion@mail1.lebedev.ru *Институт проблем лазерных и информационных технологий Российской академии наук, Троицк, Московская обл.
E-mail: s.v.ivanov@mtu-net.ru ; ivanov@tsagi.ru **Центральный аэрогидродинамический институт им. Н Е. Жуковского, Жуковский-3
E-mail:bog@dept.aerocentr.msk.su Поступила в редакцию 01.10.2003
Работа связана с оценкой и сравнением возможностей CO2- и CO-лазеров при спектроскопическом определении концентраций различных газов, содержащихся в выхлопе двигателя. Использованы расширенные наборы колебательно-вращательных линий излучения для лазеров обоих типов, работающих на основных изотопах. Рассмотрен широкий диапазон излучения CO-лазера (одновременная генерация как на фундаментальных (ДУ = 1, X = 4.9-7.5 мкм), так и на обертонных (ДУ = 2, X = 2.5-4.2 мкм) переходах). С помощью базы данных высокого разрешения HITRAN-2000 и библиотеки спектров низкого разрешения определены аналитические частоты для обнаружения H2O, CO2, N2O, CO, NO, SO2, NO2, NH3, HNO3, OH, H2CO, HCN, H2O2, H2S, HO2, C2H4, C2H2, NO+, C6H6, C7H8, p-C8H10, C3H4O. Проведено сравнение коэффициентов поглощения аналитических частот в типичном выхлопе самолетного двигателя. Вычислены и сопоставлены количественные параметры, характеризующие чувствительность и селективность детектирования конкретного газа: минимально обнаружимая концентрация, парциальная чувствительность и парциальная селективность, перекрестная чувствительность. Полученные результаты демонстрируют, что широкодиапазонный CO-лазер обладает уникальными возможностями в количественной спектроскопической диагностике выхлопов двигателей. Показано, что эти возможности значительно лучше, чем у С02-лазеров.
1. ВВЕДЕНИЕ
В последние десятилетия антропогенное загрязнение атмосферы многочисленными газообразными и аэрозольными веществами вызывает в обществе возрастающее беспокойство. В настоящее время практически все локальные источники загрязнений (промышленность, транспорт, коммунальное хозяйство) дают вклад в явления регионального и глобального масштаба (озоновые дыры, фотохимический смог, кислотные дожди, вырождение лесов, изменение климата). Данная проблема является весьма острой и требует для своего решения в качестве необходимого этапа широкого применения различных методов мониторинга загрязнений воздуха, включая дистанционное зондирование. В связи с анализом многокомпонентных загрязнений имеется спрос на все более чувствительные и селективные приборы. По этой причине в настоящее время возрастающий интерес вызывают спектроскопические методы. Наиболее перспективные из них базируются на инфракрасной (ИК) спектроскопии: диодной лазерной спектроско-
пии; оптико-акустической, оптико-термической и трассовой спектроскопии поглощения с использованием перестраиваемых источников излучения; фурье-спектроскопии [1]. Разработка соответствующих устройств зондирования - сложная и тонкая задача из-за большого разнообразия веществ и их обычно малых и изменяющихся в реальных условиях концентраций (в особенности это относится к среде выхлопа двигателя). В настоящее время для количественного спектроскопического газоанализа многокомпонентных сред применяются различные лазерные источники. Аналитические возможности конкретного лазерного устройства зависят от следующих факторов: числа линий излучения и их спектральной ширины, интенсивности и стабильности излучения, количества потенциально обнаружи-мых веществ (точнее, числа резонансов лазерных частот с линиями поглощения рассматриваемого вещества), перекрытия спектральных линий компонент смеси в районе данной лазерной линии, ослабления излучения в атмосфере и др.
Исследования последних лет продемонстрировали, что обертонный СО-лазер является эффективным источником когерентного ИК-из-лучения в важном для молекулярной спектроскопии диапазоне длин волн 2.5-4.2 мкм. В частности, экспериментально было показано, что эффективность импульсного СО-лазера, работающего в многочастотном режиме генерации излучения на обертонных переходах, может превышать 10% от вложенной энергии, а удельный лазерный энергосъем может достигать 1000 Дж с одного моля активной среды. По своим энергетическим характеристикам такой лазер приближается к наиболее известным 9-11 мкм СО2-ла-зеру и СО-лазеру на фундаментальных переходах (ФП), частоты излучения которого лежат в районе 5 мкм. Частотно-селективный режим генерации импульсного обертонного СО-лазера в настоящее время реализован более чем на 400 колебательно-вращательных обертонных переходах с максимальной выходной эффективностью 0.6% [2-4].
Спектральная область излучения обертонного СО-лазера весьма привлекательна, поскольку она перекрывается с окном прозрачности атмосферы в районе 3-5 мкм и с полосами поглощения многочисленных естественных и загрязняющих компонент. Обертонный СО-лазер, таким образом, является перспективным устройством для различных применений в лабораторном и дистанционном газоанализе, где он способен конкурировать с известными химическими ИР/БР-лазерами [5] и перестраиваемыми генераторами разностной частоты [6], работающими в том же спектральном интервале. Сравнительный анализ [7, 8] спектральных характеристик обертонного СО-лазера и ИР/БР-лазеров продемонстрировал, что: 1) спектральная область излучения обертонного СО-лазера перекрывает области ИР- и БР-лазеров; 2) спектральная плотность линий излучения значительно выше для обертонного СО-лазера; 3) разнообразие детектируемых газов также больше для обертонного СО-лазера.
В данной работе оцениваются и сравниваются детектирующие возможности хорошо известных и широко используемых СО2-лазеров и новых перспективных широкодиапазонных (ШД) СО-лазеров при ИК-абсорбционной диагностике различных газов, содержащихся в выхлопе двигателя.
Экспериментальная часть (разд. 2) связана с измерением сечений поглощения излучения СО-лазера на первом обертоне в азотной смеси, содержащей К2О, с помощью спектрофотометри-ческой и оптико-акустической методик. В теоретической части (разд. 3, 4) определены аналитические частоты для обнаружения И2О, СО2, К2О,
СО, КО, БО2, Ш2, КИ3, НШ3, ОИ, И2СО, ИСК,
И2О2, ^Б, ИО2, С2И4, С2И2, КО+, СбИб, С7Щ, р-С8И10, С3И4О с помощью спектроскопической базы данных высокого разрешения И1ТЯАК-2000 или библиотеки спектров низкого разрешения. Рассмотрен широкий диапазон излучения СО-лазера (одновременная генерация на фундаментальных (ДУ = 1, X = 4.9-7.5 мкм) и на обертонных (ДУ = 2, X = 2.5-4.2 мкм) переходах). Проведено сравнение коэффициентов поглощения аналитических частот СО2- и ШД-СО-лазеров в типичных условиях выхлопа самолетного двигателя. Вычислены и сопоставлены количественные параметры, характеризующие чувствительность и селективность детектирования конкретного газа: минимально обнаружимая концентрация, парциальная чувствительность и парциальная селективность, перекрестная чувствительность.
2. ИЗМЕРЕНИЕ СЕЧЕНИЙ ПОГЛОЩЕНИЯ N20 В АЗОТНОЙ СМЕСИ
В наших экспериментах поглощение излучения обертонного СО-лазера в газовой смеси К2О : N =1:100 при атмосферном давлении измерялось с помощью спектрофотометрической (линейное поглощение по закону Бугера) и оптико-акустической методик. Коэффициент поглощения был измерен для одиннадцати колебательно-вращательных линий колебательной полосы 35 —» 33 (от / = 6 до / = 17, X ~ 3.9 мкм). В эксперименте использовался импульсный СО-лазер, который работал в частотно-селективном режиме при свободной генерации; длительность выходного импульса излучения составляла 1 мс. Лазерный пучок (средней интенсивностью до 30 мВт/см2) направлялся либо в спектрофотомет-рическую ячейку (длиной 2 м), либо в оптико-акустическую ячейку (длиной 0.5 м). Измеренные, а также рассчитанные с помощью базы данных ШТЯАК сечения поглощения К2О представлены на рис. 1. Видно, что оба экспериментальных метода дают близкие результаты, которые хорошо согласуются и с теорией.
3. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ РАСЧЕТНОЙ МОДЕЛИ
Чувствительность и селективность - основные характеристики спектроскопического газоанализа. Для их количественного описания могут быть введены приведенные ниже параметры (подробнее см., например, в [1, 8]).
Рассмотрим монохроматические коэффициенты поглощения для смеси из п газовых компонент, которая зондируется на т лазерных частотах. Эти коэффициенты определяются следую-
о, 10-20 см2
смеси всеми т лазерными линиями. Парциальная селективность определяется как
S =
f m
Vi = 1
\ 1/2
i = 1, 2, ..., m; j = 1, 2, ..., n.
Г = {S2[(о'о) 1 ]jj}-1/2, j = 1, 2, ..., n.
Индексы "t" и "-1" означают соответственно транспонированную и обратную матрицу. Парциальная селективность 0 < Г < 1 есть нормированная мера влияния остальных n - 1 компонент смеси на детектирование газа j всем набором из m аналитических линий данного лазера. Случай rj = 1 означает полную селективность; при rj < 0.3 количественное определение концентрации газа j практически невозможно [1]. Перекрестная чувствительность определяется как Qjk = OjjJo^. При этом "соотношение неопределенностей" для измеряемых концентраций можно записать в виде Acj > QjkAck. Здесь Ack - ошибка определения концентрации ck вещества k; Acj - ошибка измерения концентрации вещества j.
В данной работе расчеты проводились для смеси 42 газов (38 газов, содержащихся в базе данных HITRAN-2000 [9], плюс 4 летучих органических соединения). Газами, обладающими спектрами высокого разрешения, были: H2O, CO2, O3, N2O, CO, CH4, O2, NO, SO2, NO2, NH3, HNO3, OH, HF, HCl, HBr, HI, ClO, OCS, H2CO, HOCl, N2, HCN, CH3Cl, H2O2, C2H2, C2H6, PH3, cof2, sf6, H2S, HCOOH, HO2, O, ClONO2, N0+, HOBr, C2H4. Четырьмя летучими органическими соединениями, имеющими спектр низкого разрешения, были: бензол C6H6, толуол C7H8, р-ксилол p-C8HjQ и акролеин C3H4O.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.