2.2. Рассчитанный спектр co2.

С помощью международной базы данных спектроскопических констант HITRAN [14] и программного обеспечения для расчета спектров атмосферных газов, созданного в Институте Оптики Атмосферы [15] были получены спектры поглощения молекулы ¹²CO₂ и других веществ, характерных для рассматриваемой газовой среды.

Рис. 9. Спектр поглощения ¹²CO₂, рассчитанный на основе баз данных HITRAN.

Из рис. 9 видно, что у CO₂ имеется пять областей поглощения - около 1,4 мкм, 1,6 мкм, 2,8 мкм, 4,3 мкм и около 15 мкм.

Рис. 10. Спектры поглощения ¹²CO₂, H₂O, NO₂, N₂O, HNO₃, NO, рассчитанные на основе баз данных HITRAN.

Рис. 11. Спектр поглощения ¹²CO₂, H₂O, NO₂, N₂O, HNO₃, NO в окрестности

длины волны 4,3 мкм, рассчитанный на основе баз данных HITRAN.

Рис. 12. Спектр поглощения ¹²CO₂, H₂O, NO₂, N₂O, HNO₃, NO в окрестности

длины волны 8 мкм, рассчитанный на основе баз данных HITRAN.

На рис. 10 видно, что кроме спектра 12CO2 в этом частотном интервале есть также спектры поглощенияH₂O иNO_2.

Рис. 13. Спектр поглощения ¹²CO₂, H₂O, NO₂, N₂O, HNO₃, NO в окрестности

длины волны 1,4 и 1,6 мкм, рассчитанный на основе баз данных HITRAN.

Анализ спектров H₂O, NO₂, N₂O, HNO₃, NO частично перекрывающихся со спектром ¹²CO₂ (рис. 10), показывает, что в некоторых спектральных диапазонах детектирование ¹²CO₂ будет затруднено из-за возможного присутствия этих веществ в виде примесей. В частности, видно, что в диапазоне около 1,4 и 1,6 мкм очень интенсивны полосы поглощения молекул H₂O и NO₂, кроме того, в данной области интенсивность полос ¹²CO₂ крайне мала.

Из рис. 9-11 видно, что из-за практически отсутствия поглощения других веществ, а также сравнительно большой величины коэффициента поглощения, наиболее перспективными для детектирования CO₂ будут спектральные области около 4,3 мкм и 15 мкм.

Однако трудности измерения в данных спектральных областях связаны с применением криогенного охлаждения аппаратуры или квантово-каскадных лазеров, работающих при комнатной температуре, но по-прежнему в комбинации с охлаждаемыми детекторами. К сказанному выше следует также добавить громоздкость, энергоемкость и слабую мобильность измерительной системы.

Из-за недостатков таких спектральных областей как 1,4 мкм, 1,6 мкм, 4,3 мкм и около 15 мкм методом исключения выбираем спектральную область около 2 мкм.

Часть III. Экспериментальные исследования флуоресценции изотопов йода-127

В рамках учебно-исследовательской работы проводились экспериментальные исследования флуоресценции изотопомеров молекулярного йода, возбуждаемой излучением Nd:YVO₄ лазера с длиной волны излучения 532.05 нм. В исследованиях использовался одночастотный Nd:YVO₄ лазер производства ООО «Лаком ПЛЮС», работающий в непрерывном режиме с выходной мощностью излучения 100 мВт на второй гармонике.

В исследованиях использовались две стеклянные ячейки, отпаянные отростки которых заполнялись металлическим йодом различного изотопного состава: первая ячейка (длиной 80 мм и диаметром 6 мм) содержала изотопно чистый йод-127; вторая ячейка (длиной 90 мм и диаметром 20 мм) содержала смесь изотопов йода-129 и йода-127 в соотношении ¹²⁹I:¹²⁷I = 0.86:014. Таким образом, в газовой фазе в первой ячейке молекулярный йод находился полностью в виде ¹²⁷I₂, а во второй – в виде смеси изотопомеров ¹²⁹I₂, ¹²⁷I¹²⁹I и ¹²⁷I₂ в соотношении 0.74:0.24:0.02. Давление насыщенных паров йода в ячейках в процессе экспериментов составляло приблизительно 0.2 тор при комнатной температуре.

Данная установка применима как для детектирования концентраций изотопа йода-129, так и йода-127. Для того, чтобы получить спектры поглощения ¹²⁷I необходима лишь одна ячейка с содержанием ¹²⁷I_2.

Флуоресцентное излучение собиралось под углом 90⁰ по отношению к лазерному лучу кварцевым волноводом и направлялось на входную щель спектрометра, после чего регистрируемый сигнал обрабатывался на компьютере.

В работе применялись спектрометры ASP-100MF (диапазон 185-1150 нм; спектральное разрешение 1 нм) и ASP-150TF2 (диапазон 190-800 нм; спектральное разрешение 0,06 нм). При записи спектров флуоресценции устанавливались различные времена накопления регистрируемого сигнала (времена экспозиции), максимально возможное из которых составляло 9 секунд. Калибровка шкалы длин волн каждого спектрометра осуществлялась по спектральным линиям ртутной лампы.

Прежде всего были проведены расчетные исследования спектров поглощения изотопомеров молекулярного йода в области 530–535 нм (рис. 14). В основе этих расчетов лежат спектральные атласы молекулярного йода [16–17], данные о значениях энергий колебательно-вращательных состояний [18], а также результаты ряда работ, посвященных спектроскопическим исследованиям энергетических состояний молекулярного йода [19, 20].

Основной вклад спектра флуоресценции ¹²⁷I₂ дают линии поглощения 32-0 R(55) (49.1% в интегральную интенсивность флуоресценции) и 32-0 Р(52) (28.8%). Также заметный вклад, хотя и меньший (18.4%), дает линия поглощения 33-0 R(85). Суммарный вклад линий поглощения 39-2 R(42) и 40-2 P(66) составляет примерно 3.8%, а вклады остальных линий пренебрежимо малы (рис. 15). Такое распределение вкладов отдельных линий поглощения соответствует длине волны возбуждающего излучения практически точно 532.05 нм.

Из рис. 15 также видно, что расчетные спектры флуоресценции (для удобства они сдвинуты на 1 нм относительно экспериментальных данных) хорошо описывают эксперимент и, следовательно, идентификация переходов была произведена правильно.

Проведенные в работе исследования показывают, что использование неодимового лазера, излучающего на второй гармонике вблизи длины волны 532 нм, перспективно для решения задачи детектирования молекулярного йодав атмосферном воздухе лазерно-флуоресцентным методом.

Рис. 14. Расчетные спектры поглощения ¹²⁷I¹²⁹I (сплошные линии), ¹²⁷I₂ (штриховые линии) и ¹²⁹I₂ (точки)

Рис. 15. Экспериментальные (черный цвет) и расчетные (серый цвет) спектры флуоресценции ¹²⁷I₂