WWW.DIS.KONFLIB.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 
<< HOME
Научная библиотека
CONTACTS

Pages:     | 1 |   ...   | 13 | 14 || 16 | 17 |   ...   | 64 |

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

-- [ Страница 15 ] --

Влияние облачности на приземную концентрацию газовых загрязнителей проявляется, прежде всего, в поглощении примесей водяными каплями. В связи с этим является необходимым определение нижней границы облаков и ее структуры, водности и фазового состава облачности. Измерение этих параметров при совместном изучении характеристик газовых и аэрозольных примесей должно привести к установлению закономерностей взаимодействия облачных масс с загрязнителями антропогенного происхождения.

Первые лидарные исследования аэрозольных загрязнений уже дали положительные результаты при решении ряда практически ванных задач. К ним можно отнести, например, оценки мощности промышленных выбросов, исследование интенсивности дымовыделения при локальных пожарах, контроль запыленности воздуха.

Как уже отмечалось выше, комбинационное рассеяние представляет собой процесс, в котором рассеивающая молекула либо отнимает у рассеиваемого фотона, либо сообщает ему энергию hvfi, равную энергии перехода между внутренними молекулярными состояниями. Соответственно этому частота рассеянного излучения v сдвигается относительно падающего v v0 vfi, где знак «–» относится к стоксовой компоненте, а «+» к антистоксовой.

Фиксированную частоту возбуждающего излучения при комбинационном рассеянии следует выбирать в спектральном интервале, соответствующем окну прозрачности атмосферы, чтобы избежать ненужных потерь интенсивности полезного сигнала и помех в спектре принимаемого сигнала со стороны сильно поглощающих компонент с изменчивым содержанием (например, таких, как водяной пар, углекислый газ и др.). Тогда обратный сигнал, поступающим на детектор, главным образом, определяется комбинационным рассеянием, а ослабление коэффициентом рассеяния. Лидарное уравнение для мощности сигнала принимает вид:

где NХ плотность исследуемой газовой компоненты. Ввиду малости сдвига vfi функция пропускания считается неизменной для частоты передачи и приема. Частота передачи должна быть по возможности большой, поскольку Следовательно, для улучшения характеристик КР-лидаров целесообразно использовать лазеры, излучающие в УФ-области спектра. Кроме того, для улучшения отношения «сигнал – шум» спектральную полосу приема зауживают с тем, чтобы регистрировать только наиболее узкую и интенсивную Q-ветвь, КР-полосы. КР-процесс считается практически мгновенным процессом, в котором акты поглощения и испускания фотона следуют непосредственно друг за другом. Вследствие этого пространственное разрешение метода определяется как:

т.е. ограничено только техническими возможностями лидара. По этой же причине метод не подвержен влиянию молекулярных столкновений (тушение отсутствует).

Одним из важных преимуществ метода является определение абсолютных концентраций газовых компонент путем сравнения интенсивности сигналов обратного рассеяния на исследуемой газовой компоненте и какой-либо основной атмосферной компоненте азоте или кислороде. Это позволяет не учитывать геометрический фактор, одинаково влияющий на величину сигналов. Кроме того, коэффициенты ослабления также одинаковы по причине малости КР-сдвига. Используя уравнение лидара и проведя несложные преобразования, получаем:

Px R и PазотR мощности сигналов в пиках КР-линий компоненты X и N.

Соответствующие сечения и концентрация атмосферного азота считаются известными. В таблице 19 приведены данные по концентрационной чувствительности КР-лидара, имеющего приемное зеркало диаметром d 92 см и импульсный лазер со следующими характеристиками: энергия 1 импульса Е0 = 0,09 Дж, длина волны излучения 0 = 0, мкм, длительность импульса t0 =30 нс. Дистанция зондирования варьировалась от 200 м до 400 м.

Таблица 19 - Чувствительность КР-лидара (ppm) Интенсивность излучения КР-сигнала меньше на два-три порядка интенсивности рэлеевского рассеяния вследствие малости сечения процесса. Однако использование комбинационного рассеяния для диагностики атмосферных параметров весьма перспективно, так как интерпретация данных лазерного зондирования существенно упрощается по сравнению с другими методами. Более того, многообещающим является зондирование на частоте, близкой к частоте перехода: как отмечалось выше, наблюдается увеличение сечения для молекул на два-четыре порядка, для атомов на 6-8 порядков.

Указанные достоинства метода вместе с возможностью зондирования различных составляющих атмосферы на фиксированной частоте при хорошем пространственном разрешении делают потенциальные возможности КР-лидаров значительными.

Внедрение лазеров, обладающих способностью селективного возбуждения электронно-колебательно-вращательных переходов в молекулах, дало возможность детального изучения спектров поглощения и испускания [105,108,109,134,136,145]. Это позволило использовать резонансное поглощение и лазерно-индуцированную флуоресценцию не только в спектроскопии молекул, но и при дистанционных измерениях атомного и молекулярного состава атмосферы. Реализация такой возможности явилась важнейшим фактором в решении проблемы контроля экологического состояния атмосферы, загрязненной транспортом.

В основе метода дифференциального поглощения (ДП) лежит явление усиленного поглощения излучения детектируемым газом на резонансной частоте, приводящее к измеримому эффекту ослабления. Информация о средней концентрации этого газа, находящегося в исследуемом объеме атмосферы, содержится в функции пропускания, и ее извлекают, используя лидарное уравнение.

При зондировании в оптическом диапазоне, свободном от резонансных линий других воздушных компонент, величина обратного сигнала формируется не только под влиянием указанного фактора. Ослабление сигнала обусловлено также упругим рассеянием на атмосферном веществе. Уравнение лидара в этом методе принимает вид:





где R = ct/2 (t время задержки).

Как и в соответствующем интегральном методе, измерение проводится на двух компонентой, другая слабому. В методе измеряется эффект, вызванный различием в времен задержки t1 =2R/c и t2=2R2 / c. Пренебрегая незначительным различием в геометрическом и пространственном факторах, имеем:

Сравнение этого отношения для частоты e, лежащей в линии поглощения, и отстроенной частоты w e, где порядка ширины линии, и считая, что получаем:

интервале L=R2 - R1. Как видно, это отношение дает прямую информацию об искомой величине. В дальнейших применениях будет удобным выражать окончательную формулу в терминах мощности:

Ввиду сильной зависимости молекулярной части коэффициента от длины волны излучения наиболее благоприятными для использования в ДП-методе являются видимый и УФ-участки спектра. В этом спектральном диапазоне значения достаточно высоки, и имеются сильные электронные полосы поглощения многих газов-загрязнителей. Поскольку принципиальных пределов для улучшения этой характеристики в данном методе нет.

Информация о концентрации газовых компонент в методе индуцированной флуоресценции (ИФ) так же, как и в методе комбинационного рассеяния, содержится в величине коэффициента обратного рассеяния [105,108,109,134,136,145]. При настройке частоты лазерного излучения в резонанс с линией поглощения исследуемого газа, не лежащей в области сильного поглощения других атмосферных компонент, обратный сигнал формируется за счет высвечивания при переходах из возбужденного состояния на разрешенные нижние состояния. Как уже отмечалось, этот процесс характеризуется сравнительно большим временем жизни возбужденного состояния, достаточным для вращательной и колебательной релаксации молекул, а также для частотного снятия возбуждения при столкновениях. Эти факторы приводят не только к спектральной структуре обратного сигнала, но и к его деполяризации и тушению. В зависимости от вида газа и типа перехода время высвечивания достаточно сильно варьируется, что влияет на величину поправочного фактора (R), входящего в уравнение флуоресценции лидара. Как показывают расчеты, (R) может быть заметно меньше единицы при td/to 1 и to/tex 1.

Неучет данного фактора при этих условиях приводит к ошибке, особенно значительной в районе длины лазерного импульса l = ct0 от границы области, содержащей газ-загрязнитель.

Кроме того, в полосу приема попадает практически неустранимый фон от рассеяния зондирующего излучения, обусловленный люминесценцией или комбинационным рассеянием в газах атмосферы (азот, кислород, водяной пар), а также свечением аэрозоля, нагретого мощным лазерным излучением.

Ограничение на пороговую чувствительность лидара за счет этой неконтролируемой люминесценции по оценкам составляет для газов с (d / d) 10 см2cp–1, что на 5- порядков ниже ПДК многих газов. При проведении оценочных расчетов были использованы totdtex, так что (R) 1. Кроме того, геометрический фактор, ввиду пренебрежением неконтролируемым свечением на частоте приема лазерное удаление хорошо принимает известную формулу:

где L = сtd/2. Это уравнение справедливо в случае зондирования приземного слоя атмосферы с однородным распределением аэрозоля условие, при котором будут проведены в дальнейшем оценочные расчеты. Остановимся подробнее на особенностях этого метода, показывающего себя перспективным при решении широкого круга экологических задач. Как видно из лидарного уравнения, на величину обратного сигнала влияют многие факторы, от состояния атмосферы до эффективности оптической системы лидара. Принципиальным фактором, влияющим на величину сигнала, является дифференциальное сечение флуоресценции. Оценим его, исходя из формулы:

где фактор тушения Q=t /t, t время жизни возбужденного состояния с учетом тушения, F доля регистрируемой флуоресценции, tex определяется из соотношения 1/tex = 1/tN + 1/tc.

Сечение поглощения в области основных колебательных полос электронных переходов молекул составляет 10–17 – 10–19 см3. Время тушения флуоресценции при атмосферном давлении находится в пределах 10–9 – 10–10 с. при времени жизни возбужденных состояний, соответствующих переходам в ИК-диапазоне, 10–1 – 10–5 с.

Значение фактора тушения равно Q = 10–9 – 10–5. Соответствующее время переходов в видимом и УФ-диапазонах 10–5 – 10–8 с. Это дает значение Q = 10–2 – 10–5. Сравнение факторов тушения в двух диапазонах показывает преимущество зондирования в видимом и УФ-диапазонах. Принимая долю регистрируемой флуоресценции равной F = 0,1, получаем для последних диапазонов (d / d) 10 10 см2cp–1. Эта величина превосходит величину дифференциального сечения молекулярного рассеяния комбинационного рассеяния (10–28 – 10–30 см2cp–1 вне резонанса, 10–26 см2cp–1 в резонансе).

Рассеяние на аэрозолях может характеризоваться значительно большим сечением – 10–8 см2cp–1). Однако от него легко отстроиться, если вести прием на смещенной ( частоте. Условие регистрации флуоресцентного сигнала улучшается при переходе к зондированию верхних слоев атмосферы (увеличивается фактор Q) и при регистрации атомов (большие сечения, (d / d) 10 10 см2cp–1.

Увеличение принимаемой мощности возможно при увеличении энергии импульса.

Однако существует принципиальное ограничение, связанное с явлением насыщения поглощения, которое приводит к уменьшению сечения процесса. В качестве оценки анергии насыщения можно взять величину es.= h/ 2abs. В оптической области спектра эта величина достаточно велика: для =0,33 мкм (=1015 с–1) и abs = 10–17 – 10–22 см2, es = 3 10– – 103 Дж/см2. Таким образом, чтобы отодвинуть этот нежелательный предел вверх по шкале энергии, необходимо увеличивать площадь сечения лазерного пучка и, как следствие, площадь апертуры. Увеличение данного параметра, как видно из лидарного уравнения, важно само по себе, хотя в техническом отношении решение этого вопроса непростое.



Pages:     | 1 |   ...   | 13 | 14 || 16 | 17 |   ...   | 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.