0567601 - ÚFCH JH 2024 RIV CZ cze L - Prototype, f. module
Zelinger, Zdeněk - Suchánek, Jan - Dostál, MichalAnalyzátor plynů využívající kvantové kaskádové lasery s fotoakustickou detekcí.
[Gas analyzer using quantum cascade lasers with photoacoustic detection.]
Internal code: - ; 2023
Technical parameters: Analyzátor plynů, který kombinuje laditelné diodové lasery (kvantové kaskádové lasery) s fotoakustickou detekcí. Princip analyzátoru je založen na fotoakustické spektroskopii metodou QEPAS (Quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy) [1] Jedná se o univerzální modulární systém pro detekci plynů v laboratorních podmínkách, kde základem je akustický detekční modul THORLABS ADM01, který tvoří fotoakustická kyveta, kterou je možné snadno zabudovat do kompletního systému QEPAS. Modul ADM01 má vstupní a výstupní otvor umožňující čerpání vzorku plynu do kyvety, jenž obsahuje mikrorezonátorové trubice a vlastní křemennou ladičku QTF (Quartz tuning fork). Když svazek externího laseru prochází přes vstupní okna do kyvety, trubice zesilují akustický signál generovaný relaxací excitovaných částic plynu. Tento akustický signál je převáděn QTF na elektrický a poté zesílen integrovaným předzesilovačem, což umožňuje vynikající odstup signálu od šumu. Schéma systému je zobrazeno na obrázku 1. Modul ADM01 je vybaven dvěma přípojkami plynu. Plynové porty jsou vybaveny standardním trubkovým šroubením Hylok z nerezové oceli pro 6 mm trubky. Okénka Ø1/2´´ pro rozsah vlnových délek 200 nm - 11 µm jsou vyměnitelná pro podporu dalších vlnových délek. Svazek kvantově kaskádového laseru je pomocí čočky (f=+50mm) fokusován do fotoakustické kyvety (Obrázek 2) tak aby procházel skrz trubicové mikrorezonátory a mezi hroty QTF. Diodový laser je umístěn v laserové hlavě Thorlabs LDMC20/M, která zajišťuje teplotní stabilizaci pomocí lineárního regulátoru teploty Koheron TEC100L. Úroveň a stabilitu elektrického proudu procházejícího diodovým laserem zajišťuje kontrolní jednotka Koheron QCL100. Generování signálů pro řídící jednotku laserů je realizováno pomocí mikropočítačové platformy Digilent PYNQ-Z1. Elektrický signál generovaný modulem ADM01, jenž nese informaci o naměřené koncentraci plynu, je demodulován pomocí vlastního řešení fázově citlivého zesilovače (Lock-in). Sběr a zpracování dat taktéž zajišťuje mikropočítač použitý pro řízení laseru. Detekce konkrétních plynů je závislá na vlnové délce laserového zdroje a absorpčním koeficientu detekované látky. Pro detekci vybraného plynu v požadovaném rozsahu koncentrací, se volí konkrétní laser o specifické vlnové délce. Přibližné limity detekce byly vypočteny [2] pro vybrané látky a konkrétní lasery jsou zobrazeny na obrázku 3. [1] KOSTEREV, A. A., Yu. A. BAKHIRKIN, R. F. CURL a F. K. TITTEL. Quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy. Optics Letters [online]. 2002, 27(21), 1902 [vid. 2017-04-18]. ISSN 0146-9592. Dostupné z: doi:10.1364/ol.27.001902 [2] DOSTÁL, Michal, Jan SUCHÁNEK, Václav VÁLEK, Zuzana BLATOŇOVÁ, Václav NEVRLÝ, Petr BITALA, Pavel KUBÁT a Zdeněk ZELINGER. Cantilever-Enhanced Photoacoustic Detection and Infrared Spectroscopy of Trace Species Produced by Biomass Burning. Energy and Fuels [online]. 2018, 32(10), 10163–10168 [vid. 2018-10-10]. Dostupné z: doi:10.1021/acs.energyfuels.8b01021
Economic parameters: výrazné zlepšení detekce plynů v laboratorních podmínkách
R&D Projects: GA TA ČR(CZ) SS03010139
Institutional support: RVO:61388955
Keywords : gas detection * photoacoustic spectroscopy * quantum cascade lasers
OECD category: Physical chemistry
Permanent Link: https://hdl.handle.net/11104/0338845
