7.2. СПЕКТРОМЕТРЫ

7.2.1. Чувствительность

Наблюдение и измерение линий поглощения в сантиметровом диапазоне производятся с помощью специальных приборов — спектрометров. Выбор варианта их конструкции зависит от таких факторов, как рабочая частота, свойства исследуемого газа и характер требуемой информации. Основные элементы спектрометров следующие: поглощающая ячейка, перестраиваемый генератор сантиметрового диапазона, частотный модулятор для линий поглощения или генератора сигналов, детектор сантиметрового диапазона, усилитель продетектированного сигнала, индикатор сигнала, измеритель частоты.

Факторы, определяющие предел, при котором еще возможно детектирование и измерение слабых линий поглощения, могут быть выражены коэффициентом прохождения мощности через согласованную волноводную поглощающую ячейку. При мощности на входе мощность на выходе ячейки

а при наличии поглощения в газе

В случае волноводной ячейки эффективная длина I равна истинной длине, деленной на Изменение мощности на выходе, обусловленное поглощением в газе, при условии равно

Ячейка может иметь вид объемного резонатора, в котором происходит эффективное увеличение пути распространения волны. Можно показать [59], что если (которое много больше представляет собой добротность, обусловленную газом, то

Изменение мощности при прохождении волны через резонатор [234] имеет вид

Изменение мощности определяемое выражениями (7.36) и (7.38), является как раз той величиной, которая должна быть измерена в спектрометре; в обоих случаях предполагалось, что плотность энергии входного сигнала недостаточна для насыщения молекул газа.

Небольшое поглощение мощности может, например, наблюдаться [206, 327] с помощью приемника, в который входят линейный

детектор и видеоусилитель. Если — амплитуда напряжения сигнала на сопротивлении то напряжение на выходе прнемника, имеющего во всем диапазоне усиление равно

При небольших изменениях V,

Амплитуда напряжения шумов приемника равна

Комбинируя (7.40) и (7.41), получаем критерий возможности детектирования

Дифференцирование выражения для мощности

дает

что вместе с (7.42) определяет

Найдем оптимальную длину поглощающей ячейки из условия максимума мощности на детекторе. Из уравнения (7.44) последняя равна

4 Рвхе с

Комбинируя (7.36) и (7.46), получаем

Это выражение имеет максимум при длине ячейки

Подставляя (7.48) в (7.36), а затем в (7.45), получаем для коэффициента затухания, при котором еще возможно детектирование сигналов, следующее выражение:

Предположение, сделанное выше о независимости коэффициента шума приемника от уровня сигнала, означает, что такое

рассмотрение справедливо только при малых мощностях. Когда имеется источник сравнительно большой мощности, то предпочтительнее сбалансированная система в сочетании с супергетеродинным приемником [206]. На рис. 7.4 показана мостовая схема [193] на двух Т-образных гибридных соединениях. Одно плечо образует волноводная ячейка поглощения, а в другом плече находятся устройства для окончательного баланса фазы и ослабления сигнала. Если применяется резонатор, то балансировка отраженного сигнала осуществляется аналогичным образом. Можно показать, что несбалансированная мощность опять определяется уравнением (7.46) и, так же как и раньше, из него следуют уравнения (7.47) и (7.48).

Рис. 7.4. Измерение поглощения мостовым методом. (См. [193].)

Сигнал можно продетектировать, когда по величине он равен шуму приемника, так что

Отсюда, подставляя (7.47) в (7.48) и используя (7.50), имеем

Например, если то из (7.48) получим для «гмин уравнение (7.51) дает , а уравнение (7.49) — в два раза большее значение. Можно показать [206], что для квадратичного детектора

и

где М — добротность детектора.

Для полупроводникового диода эта величина равна обычно 20. Приняв для остальных постоянных такие же значения, как и прежде,

из (7.53) получим Если падающая мощность превышает ту, которая может быть эффективно продетектирована, то может быть выгодным применение ячейки более длинной, чем это следует из (7.52). Термопары и болометры не дают дополнительных шумов [40], а их чувствительность остается постоянной при высоком уровне входной мощности. Минимальная мощность сигнала, при которой возможно детектирование [327], равна

где соответственно сопротивление и ток смещения.

Для барретора типа эта мощность составляет При таких тепловых детекторах агмин равно что близко к значению для супергетеродинного приемника.

Рис. 7. 5. Форма сигнала линий поглощения. Верхние кривые показывают поглощение при качании частоты, нижние представляют собой записи, полученные на выходе: а — простое детектирование; б - модуляция источника; в — модуляция Штарка.

Болометры оказались полезными и в миллиметровом диапазоне [95]. Типичная кривая поглощения, полученная при детектировании, показана на рис. 7.5, а.

Эффект низкочастотного мерцания в полупроводниковых диодах может быть устранен, если усиливать сигнал на частотах и выше. Такой процесс включает в себя модуляцию или переключение, которые могут быть осуществлены или за счет изменения частоты источника или за счет сдвига резонансной частоты. Оба эти метода в принципе аналогичны и используют линии поглощения для высокочастотной амплитудной модуляции излучения сверхвысоких частот. Если частоту модуляции обозначить через то напряжение на выходе будет иметь вид Множитель зависит от вида модуляции, но в идеальном случае он равен

Информация о газовом поглощении содержится в двух боковых полосах частот каждая из которых обладает мощностью около для возможности детектирования эта мощность должна быть по крайней мере равной мощности шумов приемника Выражая общую мощность через параметры ячейки, имеем

Минимальное значение а, как и в (7.48), определяет

Множитель должен включать в себя потери, обусловленные неэффективной модуляцией. Он может быть уменьшен при применении малошумящих усилителей [438, 457].

При модуляции источника [207, 234] небольшая частотная модуляция [439] генератора накладывается на более медленную качающуюся частоту. Если частота модуляции мала по сравнению с шириной линии, то мощность на выходе приемника пропорциональна наклону кривой поглощения, как это показано на рис. Отношение максимально отрицательной крутизны к максимально положительной крутизне равно 4 для линии лоренцовской формы и 2,2 для линин гауссовой формы. Два пика модуляции [238] появляются на расстоянии от середины линии для лоренцовской и на расстоянии для гауссовой форм линий. Если приемник настроен на частоту модуляции, то усиливаются только компоненты шумов с близкими частотами, а они значительно меньше низкочастотных компонент. Синусоидальную [207, 476] модуляцию осуществить проще [91], но модуляция напряжением прямоугольной формы [224] обеспечивает наиболее правильную передачу формы линии. Но даже в этом случае кажущаяся ширина линии в раз больше истинного значения. На практике частоты модуляции заключены в диапазоне

Высокочастотная модуляция может быть достигнута ] обычно с помощью эффекта Штарка второго порядка при помещении газа в переменное электрическое поле. Типичная форма сигнала, полученная таким образом, приведена на рис. 7.5, в. Этот метод дает не только хорошую чувствительность, но он также относительно защищен от влияния систематических изменений мощности, обусловленных посторонними причинами. Обычно используется модуляция напряжением прямоугольной формы, при этом половина периода с полем, равным нулю, дает невозмущенную линию, а во время второй половины наблюдается эффект Штарка. С помощью фазочувствительного детектора на осциллографе воспроизводятся как линия поглощения так и штарковские компоненты в перевернутом виде. Парамагнитные газы могут быть исследованы с помощью эффекта Зеемана, причем модуляция осуществляется посредством соленоида.