WWW.DIS.KONFLIB.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 
<< HOME
Научная библиотека
CONTACTS

Pages:     | 1 |   ...   | 10 | 11 || 13 | 14 |   ...   | 64 |

Приборы и методы контроля и мониторинга воздействия автотранспорта на атмосферный воздух северных городов

-- [ Страница 12 ] --

Рассмотрим общую характеристику взаимодействия лазерного излучения с Распространение лазерного излучения в атмосфере сопровождается понижением мощности пучка и появлением рассеянного света. Эти факторы приводят к эффективному ослаблению излучения в направлении распространения, которое описывается законом Бугера. Вводя функцию пропускания участка атмосферы длины R для излучения частоты:

в виде:

называется коэффициентом ослабления. Он зависит от природы тех процессов взаимодействия пучка с воздухом, которые приводят к ослаблению излучения. К ним относятся упругое рассеяние лазерного кванта на атмосферном веществе, его неупругие взаимодействия и реакции с химическим составом атмосферы. Коэффициент ослабления определяется в виде:

, r коэффициент рассеяния, характеризующий прозрачность атмосферы в отсутствие поглощения. Важной характеристикой взаимодействия является также коэффициент обратного рассеяния, r, определяющий долю рассеянной назад энергии («отраженной»):

где r индикатрисса рассеяния для угла, или лидарное отношение.

Каждый из упомянутых коэффициентов является аддитивной величиной:

составляющие которой i,i характеризуются определяющими их процессами, a abs – содержанием i-ой газовой компоненты, поглощающей излучение. Информация о концентрации Ni атмосферной составляющей извлекается из результатов измерений соответствующих коэффициентов и данных о микроскопических параметрах – таких, как интегральное сечение i, i и дифференциальное сечение d i d для угла :

Рассеяние оптических волн обычно подразделяется на три вида: молекулярное (Рэлея), аэрозольное (Ми) и комбинационное (Рамана). [42,48-51,68,70-73,79Первые два вида рассеяния происходят на длине волны падающего излучения и относятся к классу упругих взаимодействий. Эффективность рассеяния оптического излучения на отдельной частице существенно зависит от относительного размера частицы по сравнению с длиной волны. Для частиц сферической формы радиуса а эта зависимость выражается через параметр Ми = 2а/.При 1 и |тр| 1, где т комплексный показатель преломления вещества, имеет место рэлеевское рассеяние. При рассеянии излучения оптического диапазона на молекулах воздуха (вне резонансов) эти условия всегда выполняются, поэтому данное рассеяние называют также молекулярным. Для расчета сечений молекулярного рассеяния удобны формулы:

так, что лидарное отношение постоянно и равно bм = 0.119. Эти формулы не учитывают слабой зависимости от показателя преломления и пригодны до высот около 100 км.

Коэффициенты ми м пропорциональны молекулярной плотности воздуха. Их оценка на уровне моря (N0 = 2.551025 м-3) дает следующие значения:

Линейные размеры частиц аэрозоля в атмосфере представлены широким спектром от 10–3 мкм до 104 мкм. Поэтому для описания закономерностей взаимодействия оптического излучения с аэрозолем необходимо использовать общую теорию Ми.

Для задач лазерного зондирования, как правило, требуется разделить сигнал рассеяния на молекулярном атмосферном веществе и на ансамбле взвешенных частиц в воздухе. Рассмотрим основные закономерности аэрозольного рассеяния. Теория Ми дает строгие результаты для частиц сферической формы, однако в аналитическом виде решение доступно только в единичных простейших случаях. В реальной ситуации аэрозоль вдоль трассы зондирования не является однородным, в его состав, как правило, входят частицы разной формы и размера; так что использовать аппарат теории Ми затруднительно.

В этих обстоятельствах обычно руководствуются следующей эмпирической зависимостью:

где d имеет размерность км–1, длина волны оптического излучения в мкм, V метеорологическая дальность видимости в км (V 10 км). Лидарное отношение для аэрозольного рассеяния зависит от показателя преломления частиц аэрозоля, их распределения по размеру, форме, составу. Обычно bd лежит в пределах от 0,01cp–1до 0,1cp–1. Анализ результатов измерений прозрачности приземного слоя атмосферы позволил выделить несколько различных типов оптического состояния атмосферы: дымка, для которой типична дальность видимости V 3 км; туманная дымка 1 V 3 км облака и туманы V 1 км. Состояние дымки и туманной дымки, в которых приземной слой находится около 90% времени, является наиболее естественной ситуацией для применения оптических локационных устройств.

В практике лазерного зондирования представляют интерес коэффициенты и. В отсутствии резонансных эффектов доминирующую роль в упругом рассеянии для приземного слоя атмосферы играет взаимодействие лазерного излучения с аэрозолем. Оно же является и основным фактором ослабления излучения в отсутствии поглощения. В дальнейшем для оценочных расчетов мы принимаем = d. Что касается коэффициента обратного рассеяния, то в зависимости от рассматриваемого примера оно считается изотопным, и тогда = d/4, либо = d/100.

Эффект комбинационного рассеяния (КР) заключается в том, что в спектре рассеянного света кроме линии, характеризующей падающий свет, наблюдаются добавочные линии, сопровождающие каждую из линий падающего излучения. [42,48Различие в частотах возбуждающей первичной и появляющихся в спектре добавочных линий характерно для каждого рассеивающего вещества и равно частотам собственных колебаний молекул (рисунок 7).

Наблюдаются две системы линий, симметрично лежащих по обе стороны от возбуждающей линии (стоксовы и антистоксовы компоненты). КР сопровождается обменом энергией электромагнитной волны с собственными энергетическими уровнями молекул или атомов. Его можно рассматривать как неупругое столкновение фотона hv0 с молекулой, находящейся на начальном энергетическом уровне Ei:





В приведенной на рисунке 7 схеме энергетических уровней промежуточное состояния системы Еv= Еi + hv0 в процессе рассеяния часто рассматривается как виртуальный уровень, который не совпадает с реальным стационарным состоянием молекул. В результате мгновенного взаимодействия появляется фотон hv с меньшей энергией (стоксова компонента рассеяния). Если начальное состояние молекулы является возбужденным, то в рассеянном излучении появляются такие фотоны с большей энергией (антистоксова компонента рассеяния).

Рисунок 7 - Схема энергетических уровней и иллюстрация процесса комбинационного рассеяния А) схема процесса КР; Б) стоксово излучение; В) антистоксово излучение Величину vfi = |Ef – Ei|/h можно рассматривать как частоту электронного, колебательного или вращательного перехода. Особенностью КР-процесса является сильная поляризация рассеянного излучения и жесткая привязка к частоте возбуждающего излучения: v = v0+ vfi. Мощность излучения Pcs облученного газового объема определяется населенностью начального уровня Ni(Ei), интенсивностью I лазерного луча и сечением КРпроцесса cs:

В тепловом равновесии населенность Ni(Ei) описывается распределением Больцмана:

колебательно-вращательного состояния (, J) Z–1 константа нормировки, равная величине, обратной колебательно-вращательной статсумме:

Согласно распределению Больцмана, населенность возбужденных уровней в exp(~hv/KT) раз меньше. Для типичных величин hv 1000см–1, КТ 200см–1 (Т 300K). Этот фактор равен 150, поэтому интенсивность антистоксовых линий на два и более порядков меньше интенсивности стоксовых линий. Сечение рассеяния зависит от величины матричного элемента Lfi тензора поляризуемости и пропорционально v-4:

где Lfi имеет довольно сложный вид и рассчитывается методами квантовой механики. Вопрос о том, какие Кр-линии отвечают частоте возбуждения, решается с помощью теории групп.

Дифференциальное Кр-сечение имеет вид:

где e0 и e единичные векторы поляризации падающей и рассеянной волн.

Суммирование проводится по всем молекулярным уровнями j; с однородной шириной, на которые разрешены однофотонные дипольные переходы из начального и конечного состояний. Операция комплексного сопряжения отмечена звездочкой.

Как видно из этой формулы, начальное и конечное состояния связаны через промежуточное состояние j двухфотонными переходами, чтобы их вклады были не нулевыми, необходимо равенство четностей: i= f. Отсюда следует, что при КР-явлении возможны колебательные переходы в двухатомных гомоядерных молекулах, которые запрещены для однофотонного поглощения или излучения. Матричные элементы перехода зависят от свойств симметрии молекулярных состояний. Типичные значения d имеют порядки величин от 10–33 м2ср–1 до 10–35 м2ср–1для длин волн от 0, мкм до 0,6943 мкм соответственно, что на три-четыре порядка меньше соответствующих величин для рэлеевского рассеяния.

При приближении частоты излучения лазера к частоте поглощения рассеивающей молекулы cs возрастает. Вблизи резонанса наблюдается увеличение сечения для атомов на 6-8 порядков, для молекул на 2-4 порядка, так что в последнем случае оно по величине становится близким к сечению молекулярного рассеяния. Поведение сечения носит резонансный характер, поэтому сам процесс называется резонансным комбинационным рассеянием (РКР). В пределе совпадения частот, когда виртуальный уровень принадлежит молекулярному спектру, РКР-процесс приобретает черты индуцированной флуоресценции, в частности, утрачиваются поляризация и спектральная связь линий, увеличиваются время приближенной формулой:

К одной из разновидностей фотонных реакций с газовыми компонентами атмосферы относится резонансное поглощение (РП), происходящее при настройке лазерного излучения на частоту квантового перехода в спектре исследуемого газа. [42,48-51,68,70Результатом этого процесса является захват 73,79-81,94,97,106,108,109,110,134,136].

лазерного кванта и возбуждение молекулы (атома) газа. Возбуждение снимается либо высвечиванием фотона, либо в столкновениях с молекулами воздуха. В последнем случае энергия падающего излучения эффективно трансформируется в тепловую энергию. РПсечения для газовых компонент представлены в таблице 17.

Таблица 17 - РП-сечения для атмосферных газовых компонент где tN естественное время жизни возбужденного состояния; tc газокинетическое время соударений при атмосферном давлении.

РП-сечение определяется квантовой структурой перехода и имеет следующий вид:

где и частота и длина волны колебательно-вращательного перехода;

вероятность спонтанного перехода между колебательными уровнями v и О. Множитель Больцмана, определяющий число молекул, находящихся на наземных вращательных уровнях, записывается в виде:

где J вращательное квантовое число, Be вращательная константа молекулы.

Ввиду сложности точного квантового расчета для оценок часто пользуются интегральной по полосе величиной:

где о диэлектрическая постоянная; e,me заряд и масса электрона; f сила осциллятора перехода; vm maxv, vкв, где v и vкв спектральная ширина лазерного излучения и квантового перехода газовой компоненты. В качестве примера, иллюстрирующего эффективность процесса поглощения, в т.ч. приводятся сечения поглощения для трех газовых компонент, загрязняющих атмосферу: NO2, SO2 и C6H6.

Другой разновидностью фотонных реакций с атмосферой является индуцированная флуоресценция (ИФ). [42,48-51,68,70-73,79-81,94,97,106,108,109,110,134,136]. Рассмотрим физические процессы, лежащие в основе этого явления. ИФ представляет собой двухступенчатый процесс, на первой стадии которого молекула переходит в одно из разрешенных возбужденных состояний под действием излучения частоты, равной частоте перехода, а затем, возвращаясь в одно из нижележащих разрешенных состояний, излучает на частоте соответствующего перехода. Схема уровней атомов или молекул и переходов между ними иллюстрируется на рис. 8.

Рисунок 8 - Схема энергетических уровней атомов и молекул и переходов между ними а) при резонансной флуоресценции; б) при микрополосной флуоресценции В случае резонансной флуоресценции (РФ) лазерное излучение частоты vo переводит молекулу в возбужденное состояние m. Переизлучение идет непосредственно с этого уровня при переходе на более низкие уровни энергии.



Pages:     | 1 |   ...   | 10 | 11 || 13 | 14 |   ...   | 64 |
 


Похожие работы:

« ЛЮБЧИК АННА НИКОЛАЕВНА ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МАГНИТОМЕТРИЧЕСКОГО МЕТОДА ДИСТАНЦИОННОГО КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОДЗЕМНЫХ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ Специальность 05.11.13 – Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель доктор геолого-минералогических наук, профессор Е.И. Крапивский САНКТ-ПЕТЕРБУРГ -2014 2 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ ГЛАВА 1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ...»

« ПЕНКИН КОНСТАНТИН ВЛАДИМИРОВИЧ МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ СТАДИИ СИНТЕЗА ПРОИЗВОДСТВА ЭТАНОЛАМИНОВ И РАЗРАБОТКА ОПТИМАЛЬНЫХ СИСТЕМ КОРРЕКЦИИ ЕГО ФРАКЦИЙ НА ОСНОВЕ ХРОМАТОГРАФИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ Специальность 05.11.13 – Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель – доктор технических наук, профессор Сажин С.Г. Дзержинск – 2014 г. 2 Оглавление Введение Глава 1. Анализ ...»

« ПЕНКИН КОНСТАНТИН ВЛАДИМИРОВИЧ Математические модели стадии синтеза этаноламина и разработка оптимальных систем коррекции его фракций Специальность 05.11.13 – Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель – доктор технических наук, профессор Сажин С.Г. Дзержинск – 2014 г. 2 Оглавление Введение Глава 1. Анализ технологического процесса синтеза этаноламинов как ...»

«Величко, Александр Павлович Разработка ИК­радиометрического комплекса, обеспечивающего дистанционный контроль и исследование облаков и прозрачности атмосферы Москва Российская государственная библиотека diss.rsl.ru 2007 Величко, Александр Павлович.    Разработка ИК­радиометрического комплекса, обеспечивающего дистанционный контроль и исследование облаков и прозрачности атмосферы [Электронный ресурс] : дис. . канд. техн. наук : 05.11.13. ­ Москва: РГБ, 2007. ­ (Из фондов Российской ...»

« Пастухов Юрий Викторович ИНФОРМАЦИОННО – ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ПРОМЫШЛЕННОЙ КОРРОЗИИ С ИЗМЕРИТЕЛЬНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ НА ОСНОВЕ ЯДЕРНО-ФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ 05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (в машиностроении) Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук Научный руководитель – докт. техн. наук, профессор Муха Ю. П. Волгоград - 2014 2 Оглавление Введение.... 5 Глава 1. Современное состояние ...»

« Фесько Юрий Александрович РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТРЕХМЕРНОЙ ФОРМЫ ОБЪЕКТОВ 05.11.07 – Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель – кандидат технических наук, профессор Тымкул Василий Михайлович Новосибирск – 2014 2 ОГЛАВЛЕНИЕ Введение 1 Аналитический обзор научно-технической и патентной литературы по оптическим и оптико-электронным ...»

« ЛАРИН АЛЕКСЕЙ АНДРЕЕВИЧ СПОСОБЫ ОЦЕНКИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ КОМПЬЮТЕРНОЙ ТОМОГРАФИИ Специальность: 05.11.13 – Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель -кандидат технических наук, старший научный сотрудник Бакулин В.Н. Научный консультант - кандидат технических наук, доцент Резниченко В.И. Москва 2013 2 Содержание ...»








 
© 2013 www.dis.konflib.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.