Модифицированная оптоакустическая система с кварцевым резонатором в качестве акустического датчика

Аннотация. Представлена модифицированная оптоакустическая система с кварцевым резонатором в качестве акустического датчика. В основу работы камертона положен пьезоэлектрический эффект. Деформация зубцов камертона приводит к возникновению электрического напряжения между поверхностями деформируемого твердого тела.

Ключевые слова: модифицированная оптоакустическая система; кварцевый резонатор; акустический датчик; камертон.

Относительно недавно появился и был введен в практику новый подход к оптоакустическому обнаружению малых концентраций газов, использующий кварцевый резонатор (камертонного типа) в качестве высокодобротного акустического преобразователя [1].

В основу работы камертона положен пьезоэлектрический эффект. Деформация зубцов камертона приводит к возникновению электрического напряжения между поверхностями деформируемого твердого тела

Преимущества этого метода, называемого  кварцевая оптоакустическая спектроскопия (Quartz Enhanced Photoacoustic Spectroscopy - QEPAS) по сравнению с традиционными спектроскопическими методиками заключаются в невосприимчивости сенсора к внешним акустическим шумам технического происхождения, в простоте конструкции модуля детектирования, отсутствии жестких требований для спектрально-селективного  элемента, возможность работы в широком диапазоне давлений, включая атмосферное давление, а также в способности к анализу малых объемов исследуемого газа (до 1 мм³).

На рисунке 1 представлено возбуждение кварцевого камертона с помощью лазерного луча

Рисунок 1. Возбуждение кварцевого камертона с помощью лазерного луча: (а) перпендикулярного плоскости камертона (b) в плоскости камертона (c) в акустическом резонаторе

Основная идея QEPAS заключается в изменении общего подхода оптоакустической спектроскопии – формирование низкочастотного акустического сигнала происходит не в измерительной ячейке с газом, а в резонансном акустическом преобразователе с высокой добротностью. Такой подход устраняет ряд ограничений по отношению к газовой ячейке при реализации условий акустического резонанса. Так, например, преобразователь может быть расположен в ближней зоне по отношению к оптическому пучку накачки, и в этом случае газовая камера является необязательной с точки зрения формирования сигнала и служит только для отделения пробы газа от окружающей среды и обеспечения возможности контроля его давления.

Доступным вариантом для использования в ОА-спектроскопии является кварцевый камертон с резонансной частотой приблизительно 32,76 кГц, используемый в электронных часах.  QTF практически не подвержен влиянию шума окружающей среды. Поскольку штыри обычно находятся на расстоянии около 1 мм друг от друга, низкочастотный акустический шум будет сгибать штыри в одном направлении. Результирующий прогиб зубцов камертона не вызывает пьезоэлектрического эффекта. [2]

Если сфокусировать лазерный луч возбуждения через зазор между зубцами в плоскости кристалла QTF, возникнет ассиметричная вибрация, которая отклонит зубцы камертона в противоположных направлениях, что приведет к появлению электрического сигнала.

Система сбора данных QEPAS похожа на обычную оптоакустическую систему детектирования и подробно описана в работе [3].

Для увеличения чувствительности датчика может применятся акустический волновод - участок среды, ограниченный в одном или двух направлениях стенками или другими средами, в результате чего устраняется или уменьшается расхождение волн в стороны, поэтому распространение звука вдоль участка происходит с меньшим ослаблением, нежели в неограниченной однородной среде. Упрощенная структурная схема конфигурации оптоакустической системы детектирования с кварцевым резонаторным сенсором представлена ​​на рисунке 2.

Рисунок 2. Модифицированная оптоакустическая система с кварцевым резонатором камертонного типа

При эффективной длине акустической трубки, чуть меньшей длины акустической волны, возникает акустический резонанс, который, несмотря на резкое снижение добротности кварцевого камертона, дает дополнительный выигрыш в чувствительности датчика в 2 - 3 раза.

Модулированное инфракрасное излучение, генерируемое лазерным диодом коллимируется между контактами QTF. Поглощение модулированного света исследуемым газом вызывает локальные изменения давления газа, которые периодически отклоняют зубцы камертона синхронно с модуляцией света. Каждое отклонение зубцов приводит к изменению заряда / напряжения на клеммах (узлах) резонатора. Такой сигнал пропускается через предварительный усилитель, а затем его амплитуда измеряется встроенным усилителем и может быть записана компьютером (ПК). Если частота модуляции синусоидальной волны выбрана надлежащим образом, сигнал QEPAS может быть существенно усилен благодаря резонансным свойствам камертона.

Измеренная эквивалентная шумовая мощность для H2O с применением данного метода достигает значений 1,9 × 10^-9 Вт ∙ см^-1 /√Гц в области основного обертона 7306,75 см^-1. Кроме того, методика QEPAS позволяет проводить и кинетический анализ быстрых релаксационных процессов для колебательно-трансляционных переходов возбужденных состояний. Экспериментальное исследование долговременной стабильности газового датчика NH3 на основе QEPAS показали, что этот сенсор имеет очень низкий дрейф, что позволяет усреднять данные в течение более 3 часов непрерывных измерений концентрации [3].

В работе [2] продемонстрированы результаты, полученные с использованием QTF-сенсора методом инфракрасной оптоакустической спектроскопии для широкого набора перекрывающихся вращательных спектральных линий газовых сред. В качестве источника использовался квантовый FP каскадный лазер (λ ≈ 8,41 мкм) с амплитудной модуляцией. Оптоакустический сигнал формировался при фокусировании излучения между электродами QTF-сенсора. Нормированное по поглощению на единичную полосу частот значение эквивалентного шума этого датчика составила 2,0 × 10^-8 Вт ∙ см^-1 /√Гц.

Преимуществами QTF являются их большое значение Q (добротность), широкая доступность и высокая резонансная частота. Высокое значение Q обеспечивает высокую чувствительность и очень острый резонансный пик. Поскольку ширина пика может составлять всего несколько Гц, низкочастотный внешний шум не может влиять на резонатор. Высокая резонансная частота гарантирует, что окружающий шум, имеющий зависимость 1/f, очень низок на рабочей частоте. Внешние акустические резонаторы могут быть использованы для дальнейшего увеличения значения Q.

Недостатками QEPAS являются ограничения в источниках света из-за высокой резонансной частоты QTF и очень точного контроля частоты модуляции. Незначительный дрейф частоты модуляции приводит к огромным потерям в оптоакустическом сигнале из-за очень узкого резонансного пика и высокой добротности Q.