بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بکارگيري ليدار جذبي تفاضلي در آشکارسازي گاز هگزافلوئوريد سولفور در پست هاي فشار قوي
چکيده - در اين مقاله قابليت DIAL در دورسنجي توده حاوي SF6 نشت يافته از پست هاي فشار قوي بررسي شده است . با تزريق مقادير مختلفي از SF6 در يک سلول پرتودهي m٦×m٢×m٢که در فاصله m٧٠٠ از ليزر TEA گازکربنيک با انرژي واقع شده بود، از طريق محاسبه مشتق لگاريتمي سيگنال ، نشان داده شد که ليدار DIAL قابليت آشکارسازي نشت تا ppm را دارا مي باشد.
واژه هاي کليدي : ليدار DIAL ، نشت ياب BAGI، ليزر TEA گازکربنيک ، پست فشار قوي
١- مقدمه
ليدار جذبي تفاضلي (DIAL) در ١٩٦٤ توسط Schotland معرفي شد[١]. دو باريکه ليزري با طول موجهاي نزديک به هم بکار گرفته مي شود بطوريکه يکي از خط هاي ليزر روي قله جذب مولکول مورد نظر قرار داشته و طول موج ديگر خارج از باند جذب قرار مي گيرد.
قابليت اين ليدار در تشخيص از فاصله دور و تعيين چگالي تعداد توده جاذب ، اين شيوه را به تواناترين تکنيک در دورسنجي ليزري توده هاي مولکولي تبديل نموده است . اين قابليت برجسته از تفاوت چشمگير سطح مقطع جذب مولکولي در دو خط جذبي و غير جذبي سرچشمه مي گيرد که موجب تشخيص مولکول مورد نظر از پس زمينه مي گردد[٢]. امروزه Nasa و آژانس فضايي اروپا از اين شيوه بمنظور تعيين ميزان رطوبت بخار آب لايه هاي جو و ازون بهره مي گيرند.
گاز هگزافلوئوريد سولفور بواسطه سطح مقطع جذب بالا در تک خط μm١٠,٦ مولفه مناسبي براي بررسي قابليت هاي ليدارهاي جذبي تفاضلي مجهز به ليزرهاي گازکربنيک مي باشد.
گاز هگزافلوئوريد سولفور با طول موج جذب بخوبي خطوط چرخشي -ارتعاشي ليزر گازکربنيک را جذب مي نمايند [٣]. روشهاي اپتيکي در نشت يابي هگزافلوئوريد سولفور شامل تصويربرداري ليزري (Backscatter Absorption Gas Imaging)BAGIبا ليزرهاي پيوسته گازکربنيک ، تصويربرداري غيرفعال مبتني بر ابزارهاي دقيق طيف سنجي و روش فوتوآکوستيک مي باشند.
استفاده از يک سطح توپوگرافيک در پشت توده نشت يافته در سيستم هاي BAGI موجود بواسطه توان بازگشتي کوچک ضروري مي باشد[٤] . حال آنکه بکارگيري از ليزرهاي پالسي در تصويربرداري ليزري داراي قابليت هايي است که در اين مقاله بدان مي پردازيم . ما در اين مقاله به بررسي توانايي هاي يک ليدار جذبي تفاضلي مجهز به دو ليزر کوک پذير در تشخيص گاز SF6 از فاصله m٧٠٠ پرداختيم . اين آشکارسازي شامل شناسايي محل نشت و تعيين غلظت نسبي و رفتار زماني توده نشت يافته در اتمسفر مي باشد.
٢- تئوري
معادله ليدار جذبي تفاضلي (DIAL) بصورت [١و٥]
مي باشد. در اين معادله فاکتور گذردهي طيفي گيرنده و ضريب پس پراکني حجمي را نشان مي دهد. Rبرد و
ضريب تضعيف است . چگالي تعداد مولکولهاي جاذب سطح مقطع ماده جاذب در طول موج و ضريب تضعيف اتمسفر در اين طول موج مي باشد.
با فرض برابر در دو طول موج و با انتخاب طول موج هاي نزديک جذبي و غير جذبي ، چگالي تنها تابعي از توانهاي بازگشتي در دو طول موج خواهد بود که مطابق عبارت زير حاوي يک تفاوت چشمگير در جذب بين دو خط مي باشد.
يعني :
بعبارت ديگر غلظت توده گازي با مشتق لگاريتم توان بازگشتي يا شيب خط پاسخ ليدار متناسب است . در نتيجه يک رابطه خطي بدين صورت
بين شيب خط جذبي و چگالي تعداد مولکولهاي تزريق شده در محيط وجود دارد. .. اختلاف سطح مقطع هاي جذب خطوط جذبي و غير جذبي مي باشد. S و S0 بترتيب شيب نمودار لگاريتم توان بازگشتي در طول موج جذبي و غيرجذبي مي باشند
نسبت توان بازگشتي به توان ارسالي در حضور يک سطح توپوگرافيک و بدون حضور سطح توپوگرافيک به سطح تلسکوپ و فاصله تا توده وابسته است . بطور نوعي در بازه آزمون 700m و تلسکوپ به قطر ٠,٥ متر در شرايط بدون غبار، نسبت
mW ٢,٢٣ در حضور سطح توپوگرافيک و بدون حضور سطح توپوگرافيک را محاسبه شده است .
٣- نتايج تجربي
يک ليدار جذبي تفاضلي مجهز به دو ليزر کوک پذير TEACO2 با توان خروجي متوسط که توانايي ارسال پالس هايي در ناحيه طول موجي μm١٠ و ٨ -٩٢ را دارا مي باشد بکار گرفته شده است . پالسهاي ليزري با تاخير زماني با نرخ ارسال مي گردند. يک تلسکوپ کاسگرين پرتوهاي بازگشتي را بر روي يک آشکارساز MCT سرد که در دماي نيتروژن مايع قرار دارد کانوني مي نمايد. اين آشکارساز بمنظور کاهش نوفه هاي محيط با ابعاد بسيار کوچک انتخاب شده است . توانهاي دريافتي پس از تقويت ، و عبور از مبدل هاي آنالوگ به ديجيتال دسته بندي شده و برخي نتايج از جمله نمودار توانهاي بازگشتي بر مبناي فاصله را بدست مي دهند.
شکل ١ نمونه اي از پاسخ DIAL را نسبت به توده جاذب واقع در m٧٠٠ نشان مي دهد. در شکل ١.الف نمودار لگاريتم توان باز گشتي و در شکل ١.ب نمودار توان بازگشتي نسبت به فاصله گردد قله پس پراکندگي در طول موج غير جذبي و افت شديد در نمايش داده شده است . همانگونه که در شکل بخوبي مشاهده مي طول موج جذبي در مکان پخش توده مشاهده مي گردد.
مطابق شکل ٢ از يک سلول با دو وجه باز رو به ميدان ديد ليدار( با توجه به واگرايي باريکه و فاصله m ٧٠٠ سلول از DIAL) استفاده شده است . بمنظور تعيين بيشينه توانايي تشخيص ليدار جذبي تفاضلي ، مقادير ناچيزي از گاز هگزافلوئوريد سولفور را از يک تيوب به طول m١ و قطر mm ٥ که در فشار ثابت قرار دارد به سلول مورد نظر تزريق نموده و از فاصله m٧٠٠ توسط ليدار جذبي تفاضلي که بر خط تنظيم گرديده است آشکارسازي نموديم . بنابراين با فرض ايده ال بودن گاز و توزيع يکنواخت گاز در کل فضاي سلول ، DIAL چگالي هاي نسبي که طبق جدول ١ نشان داده شده است را از فاصه m٧٠٠ آشکارسازي نمايد. لذا اين ليدار توانسته کمينه چگالي نسبي ايزوتوپ را آشکارسازي نمايد.
تفکيک زماني توده تزريقي در سلول از زمان تزريق تا زمان خروج توده گازي را با بررسي پاسخ هاي متوالي DIAL در تزريق گاز هگزافلوئوريد سولفور بمدت sec٣ و در فشار bar٩ انجام داديم . شکل ٣ چنين تحولي را بر مبناي تحول شيب خط جذبي در
