تعد تقنية التحليل الطيفي لامتصاص الليزر الثنائي القابل للضبط (TDLAS) تقنية تحليل طيف امتصاص الأشعة تحت الحمراء التي تستخدم مبدأ الامتصاص "الانتقائي للتردد" للجزيئات لتكوين طيف امتصاص لتحقيق تحليل كمي عالي الدقة لتركيز الجزيئات. تتمتع تقنية TDLAS بالقدرة على القياس غير التلامسي في الموقع وتتمتع بخصائص الدقة العالية والانتقائية العالية.

عند الجمع بين تقنيات قمع الضوضاء مثل مطيافية تعديل الطول الموجي (WMS) وتضخيم القفل، يمكن تحقيق مستويات جزء في المليون أو حتى جزء في المليار من جزيئات الغاز النزرة. قياس التركيز. ستتناول هذه المقالة مبادئ وتطبيقات وخصائص ومزايا أجهزة تحليل الغاز بالليزر مقارنة بأنواع أخرى من أجهزة التحليل.

مبدأ عمل جهاز تحليل الغاز TDLAS

1. قانون لامبرت-بير

تقنية TDLAS هي تقنية امتصاص طيفي عالية الدقة. يمكن التعبير عن التوهين في شدة الضوء لليزر شبه الموصل المار عبر الغاز المقاس بقانون لامبرت-بير. في الصيغة، يمثل IV و0 وIV على التوالي الليزر بتردد V. شدة الضوء عند وقوعه وبعد مروره عبر الغاز بضغط P وتركيز X ومسار بصري L؛ تمثل S (T) شدة خط امتصاص الغاز؛ تمثل الدالة الخطية g (v-v0) شكل خط الامتصاص. يكون امتصاص الغاز صغيرًا بشكل عام، وتشير هذه العلاقات إلى أنه كلما زاد تركيز الغاز، زاد التوهين في الضوء. لذلك، يمكن قياس تركيز الغاز عن طريق قياس التوهين في الليزر بواسطة الغاز.

2. شدة خطوط الطيف

إن امتصاص جزيئات الغاز يرتبط دائمًا بانتقال مستوى الطاقة من حالة الطاقة المنخفضة إلى حالة الطاقة العالية داخل الجزيء. تعكس شدة الخط S (T) التأثير الصافي بين شدة الامتصاص المحفز والانبعاث المحفز والانبعاث التلقائي أثناء عملية الانتقال. إنها السمة الأساسية لخط طيف الامتصاص. يتم تحديده من خلال احتمالية الانتقال بين مستويات الطاقة وفي مستويات الطاقة العليا والسفلى. يتم تحديده من خلال عدد الجزيئات. يتأثر توزيع الجزيئات بين مستويات الطاقة المختلفة بدرجة الحرارة، وبالتالي فإن شدة خطوط الطيف مرتبطة أيضًا بدرجة الحرارة.

تكنولوجيا القياس في جهاز تحليل الغاز TDLAS

تقنية الكشف عن الطيف المعدل

تعد تقنية الكشف عن الطيف المعدل هي تقنية TDLAS الأكثر استخدامًا والتي يمكنها تحقيق حساسية كشف أعلى. فهي تحلل امتصاص الغاز عن طريق تعديل تردد الليزر بسرعة للمسح عبر نطاق تردد ثابت لخط طيف الامتصاص للغاز الذي يتم قياسه، ثم استخدام تقنية الكشف الحساسة للطور لقياس المكونات التوافقية في خط طيف الإرسال بعد امتصاص الغاز لها.

هناك نوعان من مخططات التعديل: التعديل الخارجي والتعديل الداخلي. يستخدم مخطط التعديل الخارجي معدِّلًا كهروضوئيًا خارج ليزر أشباه الموصلات لتحقيق تعديل تردد الليزر. يحقق مخطط التعديل الداخلي تعديل تردد الليزر عن طريق تغيير تيار العمل بالحقن الخاص بليزر أشباه الموصلات مباشرة. التعديل. نظرًا لسهولة الاستخدام، فإن مخطط التعديل الداخلي يستخدم على نطاق أوسع. يتم وصف مبدأ القياس الخاص به بإيجاز أدناه.

بينما يمسح تردد الليزر خط طيف امتصاص الغاز، يتم تعديل تيار تشغيل الليزر بتعديل جيبي بتردد أعلى. يمكن التعبير عن تردد الليزر اللحظي على النحو التالي: حيث يمثل (t) المسح منخفض التردد لتردد الليزر؛ a هو التعديل الجيبي سعة تغيير التردد الناتج؛ w هو تردد التعديل الجيبي. يمكن التعبير عن شدة الضوء المنقول في شكل سلسلة فورييه التالية.

يمكن اكتشاف المكونات التوافقية باستخدام أجهزة الكشف الحساسة للطور (PSD). تعمل تقنية التحليل الطيفي المعدل على تقليل تأثير الضوضاء الضوئية بالليزر (ضوضاء 1/f) على القياس بشكل كبير من خلال التعديل عالي التردد. في الوقت نفسه، يمكن الحصول على مرشح تمرير نطاق ضيق للغاية من خلال ضبط ثابت زمني أكبر لـ PSD، وبالتالي ضغط نطاق الضوضاء بشكل فعال. لذلك، يمكن لتقنية التحليل الطيفي المعدل تحقيق حساسية اكتشاف أفضل.

خطوات القياس

يعتمد مبدأ عمل جهاز تحليل الغاز بالليزر على مبادئ التحليل الطيفي بالليزر والامتصاص الضوئي. ويمكن تقسيم عملية عمله إلى الخطوات الرئيسية التالية:

1. مصدر الليزر:تستخدم أجهزة تحليل الغاز بالليزر شعاع ليزر أحادي اللون ومتماسك كمصدر للضوء. وتسمح خصائص شعاع الليزر بتركيزه وتوجيهه بشكل كبير.
2. عينة الغاز:يتم إدخال عينة الغاز المراد تحليلها إلى المحلل من خلال غرفة الغاز أو خط الغاز.
3. الامتصاص البصري:يمر شعاع الليزر عبر عينة غاز، ويتم امتصاص فوتونات الليزر ذات الأطوال الموجية المحددة بواسطة الجزيئات الموجودة في الغاز. يتناسب عدد الفوتونات الممتصة مع تركيز الجزيئات المستهدفة في الغاز.
4. كاشف:يقوم الكاشف بقياس عدد الفوتونات غير الممتصة في الشعاع الخارج، وهذه الإشارة مرتبطة بتركيز الجزيئات المستهدفة في الغاز.
5. معالجة البيانات:يقوم المحلل بتحديد تركيز الجزيء المستهدف عن طريق حساب نسبة شدة الضوء الممتص إلى شدة الضوء غير الممتص.

يتيح هذا المبدأ الأساسي لمحللي الغاز بالليزر قياس تركيز مكونات الغاز بدقة عالية، حيث أن كل جزيء لديه خصائص طيف الامتصاص الخاصة به.

مميزات جهاز تحليل الغاز TDLAS

تتمتع أجهزة تحليل الغاز بالليزر بالعديد من الميزات الفريدة مقارنة بأجهزة تحليل الغاز التقليدية، بما في ذلك:

1. حساسية عالية:تتمتع أجهزة تحليل الغاز بالليزر بالقدرة على اكتشاف تركيزات منخفضة للغاية من الغازات، مما يجعلها مفيدة في العديد من التطبيقات.
2. انتقائية عالية:بفضل مبادئ التحليل الطيفي بالليزر، يعتبر هذا الجهاز انتقائيًا للغاية ويمكنه قياس الجزيئات المستهدفة بدقة دون تدخل من الغازات الأخرى.
3. دقة عالية:يتيح التحليل الطيفي بالليزر للجهاز تحقيق دقة عالية جدًا، مما يعني أنه يمكنه تحديد التغييرات الصغيرة في تركيب الغاز.
4. المراقبة في الوقت الحقيقي:يمكن لمحللي الغاز بالليزر مراقبة التغيرات في تركيز الغاز في الوقت الحقيقي، مما يجعلها مثالية للتحكم في العمليات الديناميكية وتعديلها.
5. غير جراحي:لا يتطلب هذا النوع من المحلل عادةً الاتصال المباشر مع غاز العينة وبالتالي لا يتداخل مع العينة أو يلوث الغاز.

المزايا مقارنة بأنواع أخرى من المحللات

تتمتع أجهزة تحليل الغاز بالليزر ببعض المزايا المهمة مقارنة بأنواع أخرى من أجهزة تحليل الغاز:

1. إن الحساسية العالية والانتقائية تجعلها أكثر قدرة على المنافسة في تحليل الغازات ذات التركيز المنخفض، حيث قد لا تحقق الطرق الأخرى نفس الدقة.
2. وتجعل ميزة المراقبة في الوقت الفعلي هذه الميزة مفيدة في التطبيقات التي تتطلب استجابة فورية، مثل التحكم في العمليات الصناعية ومراقبة البيئة.
3. طبيعتها غير الجراحية تعني أنه يمكن استخدامها لتحليل غازات العينة دون تدمير العينة.
4. يمكن تكييفه لتلبية مجموعة متنوعة من احتياجات تحليل الغاز عن طريق تغيير الطول الموجي لمصدر الليزر أو تحديد خطوط امتصاص مختلفة.

تطبيقات جهاز تحليل الغاز TDLAS

تُستخدم أجهزة تحليل الغاز بالليزر على نطاق واسع في مجالات مختلفة. وفيما يلي بعض الأمثلة على المجالات الرئيسية:

1. الإنتاج الصناعي:يمكن استخدام أجهزة تحليل الغاز بالليزر لمراقبة تركيزات الغاز في العمليات الصناعية، مثل تحليل غاز المداخن في عمليات الاحتراق، وتحليل منتجات الغاز في التفاعلات الكيميائية، وما إلى ذلك. وهذا يساعد على تحسين كفاءة الإنتاج وضمان جودة المنتج.
2. المراقبة البيئية:وفي مجال حماية البيئة، يمكن استخدام أجهزة تحليل الغاز بالليزر لمراقبة تركيز الملوثات في الغلاف الجوي، مثل ثاني أكسيد الكربون، وثاني أكسيد الكبريت، وأكاسيد النيتروجين، وما إلى ذلك. وهذا يساعد في تقييم جودة الهواء، وتطوير السياسة البيئية، ومعالجة تحديات تغير المناخ.
3. تشخيص طبي:في المجال الطبي، يمكن استخدام أجهزة تحليل الغاز بالليزر للكشف عن العلامات الكيميائية الحيوية في الغازات التنفسية. على سبيل المثال، يمكن استخدام تركيز أول أكسيد الكربون في الغاز لتشخيص التسمم بأول أكسيد الكربون.
4. بحث علمي:يستخدم العلماء أجهزة تحليل الغاز بالليزر لإجراء البحوث التجريبية، كما هو الحال في علم الفلك، وقياس تركيز الجزيئات في الفضاء بين النجوم لدراسة التركيب الكيميائي للسحب بين النجوم.
5. فحص الأمان:يمكن أيضًا استخدام أجهزة تحليل الغاز بالليزر لمراقبة الغازات الخطرة، مثل اكتشاف تسرب الغاز في الصناعة أو مراقبة الغاز السام في مناجم الفحم، لضمان سلامة بيئة العمل.

خاتمة

محلل الغاز بالليزر هو أداة تحليل غاز عالية الدقة وحساسة للغاية وانتقائية للغاية تم استخدامها على نطاق واسع في العديد من المجالات. يعتمد مبدأها على مبادئ التحليل الطيفي بالليزر والامتصاص البصري، مما يسمح لها بقياس تركيز مكونات الغاز بدقة. توفر أجهزة تحليل الغاز بالليزر مزايا فريدة مقارنة بأنواع أخرى من أجهزة تحليل الغاز، مما يجعلها أداة الاختيار في العديد من التطبيقات. سواء في مجالات الإنتاج الصناعي أو مراقبة البيئة أو التشخيص الطبي أو البحث العلمي، تلعب أجهزة تحليل الغاز بالليزر دورًا لا يمكن الاستغناء عنه وتوفر لنا أداة قوية لفهم سلوك الغازات والتحكم فيه بشكل أفضل. لمزيد من المعلومات، يرجى زيارة إيسيجاس.