203153. lajstromszámú szabadalom • Eljárás és berendezés gázok összetételének mérésére, fotoakusztikus módon
1 HU 203 153 B 2 A találmány tárgya eljárás és berendezés gázok öszszetételének mérésére, fotoakusztikus módon, amely megoldás előnyösen alkalmazható kis szennyezőkoncentrációk mérésére, célszerűen 10'6 - 10‘9 koncentrációtartományban. A találmány szerinti megoldás előnyösen felhasználható például a környezetvédelem, mezőgazdaság területén. A levegőben található, kis koncentrációjú gáznemű szennyeződések mérése egyre fontosabb fetadatTrkor«-nyezetvédelem szempontjából. A jelenleg ismert legérzékenyebb módszer a gázkromatográfiás vizsgálat, amely azonban nem teszi lehetővé a folyamatos szennyezőanyag-kibocsátás mérését, mivel egy mérés ideje legalább fél órát vesz igénybe. Maguk a gázkromatográfiás berendezések igen költségesek, beszerzésük nehézkes. Az utóbbi években történtek próbálkozások arra, hogy a fotoakusztikus spektroszkópia módszerét adaptálják a levegő összetételének folyamatos vizsgálatára. Az eddig megjelent szakmai közlemények bizonyítják, hogy ez az ismert módszer valóban alkalmas kis szennyezőkoncentrációk mérésére és a felépített spektroszkópok a gázkromatográfiás berendezéseknél olcsóbbak és gyorsabb elemzést tesznek lehetővé. Ismert módon a spektroszkópia az anyagoknak arra a tulajdonságára épül, hogy a rájuk eső fényből bizonyos hullámhosszú komponenseket elnyelnek és az elnyelési hullámhosszak valamilyen mértékben jellemzők az anyagra. Az elnyelés mértékéből pedig az adott összetevő koncentrációjára lehet következtetni. Az elnyelt energia bonyolult relaxációs mechanizmusok révén végül hővé alakul, vagy időben késleltetve, más hullámhosszon részben kisugárzódik (fluoreszcencia). A hagyományos optikai spektroszkópokban a fényforrás általában széles sávban sugárzó lámpa, melynek a fénye monokromátoron keresztül jut a mérendő mintára. Nagy elnyelésű minták esetén a beeső és a visszavert fény mennyiségéből határozható meg az elnyelt fényenergia, míg kis elnyelésű mintáknál az átengedett fény mennyiségét kell a beeső fény mennyiségéből levonni, hogy az elnyelt energiát megkapjuk. Éppen ezért igen nehéz a kis elnyelésű gázminták elemzése, mivel két nagyértékű jel kis különbségét kell pontosan mérni, és a különbség hibája ezáltal nagy lesz. A fotoakusztikus spektroszkópban ismert módon a beeső fénynyalábot periődikusan megszaggatják, vagy az intenzitását modulálják. Az elnyelődő fény periódikus hőmérsékletemelkedést okoz, amely hatására az anyagban hang keletkezik. A hangnyomás széles fényintenzitás tartományban arányos az elnyelt fényenergiával, tehát a fotoakusztikus spektroszkóp közvetlenül a mintában elnyelődött és hővé alakult fényenergiát méri. Ez a megoldás különösen alkalmas kis abszorpciójú gázok spektroszkópiai vizsgálatára. A hagyományos optikai spektroszkópban is ismert megoldás a fény szaggatása, azért, hogy a detektor jelét lockin technikával lehessen mérni, a fotoakusztikus spektroszkóp csak annyiban különbözik az optikaitól, hogy a minta egy speciálisan kialakított fotoakusztikus mintakamrába kerül és detektorként mikrofont vagy egyéb más ismert megoldást, például kondenzátort alkalmaznak. A gyakorlatban különböző kamratípusokat használnak. Ezek közül az egyik ismert a zárt üregrezonátor. Az ismert rezonátorokon két ablak van elhelyezve, hogy a lézersugár keresztül tudjon haladni az üregen. Az ablakok helye - S. Bemegger and M.W. Sigrist, -Appl. Phys. B44, 125 (1987) - célszerű módon úgy van megválasztva, hogy a periódikusan elnyelődő fényenergia csak a kiválasztott akusztikai módust gerjessze. A gerjesztési hatásfok növelésére szokás többszörös visszaverődést is alkalmazni. Ismeretesek radiális, axiális és azimutális módust használó fotoakusztikus rezonátorkamrák. A gyakorlatban általában az axiális (longitudinális) módusok használata terjedt el. További ismert kamra a zárt Helmoltz rezonátor, vagy H-típusú rezonátor. Ez két üregből és az azokat összekötő csőszakaszból áll. Egy ismert berendezésnél a lézerfény csak az egyik üregen halad át, a másikban van a mikrofon elhelyezve. Egy másik ismert megoldásnál - P. Hess: Resonant Photoaccustic Spectroscopy, Topics in Current Chemistry, Vol. Ill, (Ed. Dr. F. L. Boschke) Springer Verlag, Berlin Heidelberg, 1983. - pedig a fény mindkét üregen áthalad. Alkalmazzák még erre a célra a zárt, kisméretű kamrát, amely jóval az első rezonanciája alatt van gerjesztve (nem rezonáns kamra). A kamra kis térfogata miatt a megoldás átalakítási hatásfoka jó, azaz a keletkezett akusztikai enrgia és az elnyelt fényenergia hányadosa nagy. Ismeretesek továbbá részben nyitott, összetett kamratípusok is. Ide sorolhatók azok az ismert, működés szempontjából zártnak tekinthető kamrák, amelyeknél a mérendő gáz folyamatos áramoltatására külön nyílások vannak elhelyezve, illetve két kamrából álló rendszerek, ahol egy nagyobb, zárt kamrában van a nyitott rezonátorkamra bezárva. [S. Shtrikman and M. Slatkine, Appl. Phy. Lett. 31(12), 830, (1977).] A gázanalízis céljából általában infravörös fénnyel geijesztik az ismert rendszereket és mivel nagyobb kis szennyezőkoncentrációkat mérnek, az ablakon fellépő fotoakusztikus effektus erősen zavarja a mérést. Azok az anyagok, amelyek a szóban forgó hullámhossz- tartományban elegedően kis abszorpciójúak, azok nagyon drágák, ugyanakkor még az ismert legkisebb elnyelésű cinkszelenid ablakon is megengedhetetlenül nagy koherens zaj lép fel. Emiatt gyakran helyezik az ablakokat a gerjesztendő rezgésmódus csomópontjaiba, hogy az ablakok periódikus sugárzása rosszul csatolódjék a módushoz. Ez a megoldás azonban a zárt Helmoltz rezonátorok, valamint a nem rezonáns kamrák esetében nem alkalmazható. Az ismert, nyitott rezonátoros kamra megoldások mind cső alakú rezonátort használnak, az első longitudinális móduson gerjesztve. A rezonátorcső egy nagyobb üreg belsejében helyezkedik el és a fény be- és kilépésére szolgáló ablakok ezen a nagyobb üregen vannak elhelyezve. Ez az ismert elrendezés ugyan csökkenti az ablakoktól eredő koherens zajt, azonban 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 2
