Группа исследователей из Университета Адельфи, Гарден-Сити, Нью-Йорк, США, разработала новое устройство, которое может точно и почти мгновенно обнаруживать сверхнизкие концентрации газов, таких как диоксид азота. Устройство работает даже при небольших вибрациях, что важно, если инструмент развернут в поле, где его могут сотрясать проезжающие машины, расположенные поблизости механизмы, тепловые изменения или воздушные потоки. Исследователи описывают новый детектор в статье в журнале Applied Optics Оптического общества.
«Наш датчик намного быстрее и обладает потенциалом для гораздо более высокой чувствительности — при использовании лучше согласованных оптических зеркал — чем результаты, о которых сообщалось ранее. Это открывает дверь для интересного исследования концентраций следовых газов в реальном времени», — сказал Готтипати Рао. , физик из Университета Адельфи, Гарден-Сити, Нью-Йорк, США.В детекторе используется проверенный временем метод измерения, называемый спектроскопией резонатора по кольцу вниз (CRDS).
С помощью CRDS лазер излучает импульс света в точно выровненную полость, образованную зеркалами. Когда импульс заканчивается, свет отражается в полости и медленно выходит наружу. Время, необходимое для выхода света, называется временем отключения сигнала.
Если полость содержит небольшое количество газа, который поглощает длину волны лазера, время затухания сигнала уменьшится, поскольку часть света теряется на поглощение. Измерение изменения времени отключения сигнала указывает на концентрацию следового газа.Чтобы датчики работали, лазер должен находиться в резонансе с резонатором, а это означает, что длина волны света «соответствует» длине резонатора таким образом, чтобы свет отражался вокруг в течение длительного времени.
Стандартные датчики CRDS подвержены ошибкам, вызванным вибрацией, поскольку небольшие изменения длины полости могут значительно снизить чувствительность. В результате для использования CRDS в полевых условиях необходимо использовать специальное виброизоляционное оборудование.Одно из предложенных исправлений для чувствительности к вибрации включает в себя смещение выравнивания лазера и резонатора, так что лазер будет резонировать с резонатором множеством различных способов. Если один резонанс устраняется изменением длины (из-за вибрации), другие резонансы действуют как резервные.
Однако это исправление снижает чувствительность детектора.Рао и его коллеги попробовали другой подход. Они использовали мощный широкополосный лазер, который содержит более широкий диапазон длин волн, чем типичный для лазеров CRDS. Любое небольшое смещение длины резонатора из-за вибраций просто сдвигает резонансы полости в сторону других длин волн, которые лазер уже излучает.
Исследователи протестировали устройство, измерив следовые концентрации диоксида азота. «Если изменить длину волны лазера, этот метод также можно легко применить для мониторинга других газов, таких как метан (мощный парниковый газ), аммиак (загрязнитель воздуха) и диоксид серы (загрязнитель от электростанций, сжигающих ископаемое топливо). , "Объяснил Рао.По словам Рао, в настоящее время мониторинг диоксида азота в атмосфере осуществляется с помощью хемилюминесценции — химической реакции, при которой образуется свет. Он не может выполнять измерения в реальном времени и требует сложной процедуры калибровки для получения абсолютной концентрации газа. CRDS имеет уникальные преимущества перед хемилюминесценцией, и Рао считает, что новый детектор сделает его более практичным инструментом для полевых исследований.
Кроме того, измерение следовых концентраций определенных газов в выдыхаемом воздухе человека может использоваться для диагностики определенных заболеваний или состояний, таким образом, устройство может в конечном итоге помочь врачам в неинвазивном анализе дыхания. «Что еще более важно, наш подход может оказаться полезным при разработке высокочувствительного детектора взрывчатых веществ — особенно применимого для безопасности и авиаперелетов — который нацелен на взрывчатые вещества на основе нитрогруппы (NO2), такие как TNT, GN, RDX, HMX, PETN и TATB. , "Сказал Рао.«Несмотря на то, что метод CRDS эффективен для обнаружения следовых газов, он нашел ограниченное применение в полевых условиях мониторинга, в первую очередь из-за его чувствительности к вибрациям.
Мы демонстрируем упрощенный подход, который делает метод CRDS нечувствительным к вибрациям и может использоваться в полевых условиях. », — пояснил Рао.Команда говорит, что чувствительность устройства и время отклика можно еще больше улучшить за счет использования зеркал с более высокой отражательной способностью и оптимизации конструкции резонатора. «Это откроет новые возможности для мониторинга атмосферы, изучения химических реакций и обнаружения взрывчатых веществ», — сказал Рао.