Cavity Ring-Dawn spektroskopie

Téměř každá malá molekula v plynné fázi  (např., CO2, H2O, H2S, NH3) má unikátní absorpční spektrum v blízké infračervené oblasti. Při nižším než atmosférickém tlaku se toto spektrum skládá ze série úzkých, dobře rozlišených, ostrých čar, s charakteristickou vlnovou délkou. Vzhledem k tomu, že tyto čáry jsou dobře rozloženy a jejich vlnová délka je dobře známá, může být koncentrace jákekoliv látky stanovena měřením velikosti absorpce dané vlnové délky, tj. měřením výšky určitého absorpčního píku. Ale v obvyklých infračervených spektrometrech stopové plyny poskytují příliš malou absorpci pro měření, typicky je citlivost omezena na úroveň ppm v tom nejlepším případě. CRDS - Cavity Ring-Down spektroskopie -  se vyhýbá tomuto omezení citlivosti využitím efektivní délky dráhy mnoha kilometrů. Umožňuje aby plyny mohly být detekovány během několika sekund nebo méně na úrovni ppb a některé plyny i na úrovni ppt.

V CRDS paprsek z jednofrekvenční laserové diody vstupuje do dutiny (cavity) definované mezi dvěma čí více zrcadly s vysokou schopností odrazu. Picarro analyzátory používají dutinu se třemi zrcadly (jak je vidět na obrázku ve vedlejším sloupci), aby podpořily putování průběžné světelné vlny. Toto uspořáání poskytuje vynikající poměr signálu k šumu ve srovnání s dutinami se dvěma zrcadly, která podporují stojatou vlnu. Když je laser zapnut, dutina se zaplní cirkulujícím laserovým světlem. Rychlý fotodetektor snímá malé množství světla únikající přes jedno ze zrcadel, aby byl vytvořen signál, který je přímo úměrný intenzitě v dutině.

Když signál fotodetektoru dosáhne prahové úrovně (v několika desítek mikrosekund), pak je kontinuální vlna (CW) laseru náhle vypnuta. Světlo v dutině se i nadále odráží mezi zrcadly (asi 100,000 krát), ale proto, že zrcadla mají o něco méně než 100% odrazivost (99,999%), intenzita světla uvnitř dutiny se rozpadá až dosáhne nuly v exponenciální módu. Tento rozklad, neboli "ring down", je měřen v reálném čase pomocí fotosnímače. Potřebný čas pro celý "ring down" proces je určen výhradně odrazivostí zrcadla (pro prázdnou dutinu). Pokud vezmeme v úvahu, že Picarro dutiny mají délku pouze 25 cm, tak efektivní délka dráhy v dutině může být více než 20 km.

Pokud je plyn absorbující laserové světlo zaveden do dutiny, tak je zahájen i druhý mechanismus ztráty v dutině (absorpce) . Díky tomu je urychlen rozklad (ring down) v čase ve srovnání s dutinou, kdy není přítomen plyn vzorku, který by absorboval. Picarro přístroje automaticky a kontinuálně vypočítávají a porovnávají rozklad v čase při přítomnosti a při absenci absorbce plynu v dutině a to vzhledem k cílovému analyzovanému plynu. Díky tomu vytváří přesná, kvantitativní měření, která berou v úvahu případné ztráty uvnitř dutiny, která se mohou v průběhu času měnit. Kromě toho, konečná vypočtená koncentrace vzorku je velmi robustní, protože je dána rozdílem mezi měřenými časy rozkladu a je tedy nezávislá na kolísání intenzity laseru nebo na absolutním výkonu laseru. Dále je také umožněna diskriminace ztráty v důsledku absorpce ztrát způsobených dutinou zrcadla.

Porovnání doby rozkladu v dutině bez absorbujícího plynu s dobou rozkladu,pokud cílový plyn vzorku absorbuje světlo, se provádí nikoliv odstraněním plynu z dutiny, ale pomocí laseru, jehož vlnová délka může být přesně naladěna. Naladění laseru na různé vlnové délky, při kterých plyn absorbuje světlo, a poté naladěním na vlnové délky, kde plyn neabsorbuje světlo, lze porovnat dobu rozkladu v dutině bez plynu a s plynem, kdy přítomný plyn přispívá k optické ztrátě. Ve skutečnosti, je laser naladěn na několik oblastí po celé délce spektrální absorpční čáry cílového plynu (měření doby rozkladu se provádí ve všech těchto bodech) a matematicky pasuje do profilu absorpční linie, která je pak použita pro výpočet koncentrace plynu.

Autor: Martina Háková - Produktový specialista (FTIR, UV-Vis-NIR, fluorescence)
Tel: 730 572 998
Poslední aktualizace: 02/08/2016 - 11:42

Soubory ke stažení