بخشی از مقاله
چکیده -
هدف این آزمایش آشکارسازی غلظت بخار بنزن و بررسی نحوه تغییرات سیگنال، با افزایش فشار گاز بافر و توان لیزر CO2 به روش اسپکتروسکوپی فوتوآکوستیک لیزری میباشد. بخار بنزن در هوای خشک در داخل سلول فوتوآکوستیک تخلیه شده تزریق گردید. تابش لیزر CO2 توسط چاپر با فرکانس تشدید برای دمش استفاده گردید. آزمایش در فشارهای مختلف گاز بافر و نیز در توانهای متفاوت انجام پذیرفت. نتایج بهدست آمده نشان می دهند که با افزایش فشار گاز بافر وتوان لیزر، سیگنال افزایش یافته که این نتیجه با رابطه نظری سیگنال فوتوآکوستیک توافق کامل داشت.
-1 مقدمه
یکی از مسائل بسیار مهم و حساس در هنگام کار با گازها، رعایت نکات ایمنی و جلوگیری از بروز حوادث و آسیب-های احتمالی ناشی از نشت آنها در محیط است. از جمله گازهای آلودهکننده محیطهای بیمارستانی، بنزن میباشد که مایعی فرّار، بیرنگ و دارای بوی خاص است. تنفس، بلع و تماس آن با پوست زیانآور بوده و میتواند سبب بیهوشی، فلج دستگاه تنفسی، و توقف ضربان قلب شود. این ماده به سرعت بخار میشود و دارای قابلیت اشتعال فوقالعاده بالاست و همچنین سمی و سرطانزا می-باشد.
از این رو آشکارسازی این نوع گازها در محیط-های کار از اهمیت بالایی برخوردار است. طیفنگاری PA لیزری که زیر مجموعهای از روشهای طیفنگاری جذبی IR است، به دلیل آنکه طیف وسیعی از مولکولهای چند اتمی نور را در طول موجهای 3- 14 P جذب میکنند، ابزاری قدرتمند برای آشکارسازی گازهای شیمیایی می-باشد. اثر PA زمانی روی میدهد که یک گاز تحت تابش نور مدوله شده و یا پالسی شده قرار گرفته باشد که نتیجه آن تولید صوت توسط گاز خواهد بود
اثر PA میتواند طی فرایندی سه مرحلهای اتفاق افتد. در مرحله اول به علت فروافت برخوردی مولکول پس از جذب نور توسط گاز، گرما آزاد میشود. در مرحله دوم به علت انبساط و گرمایش، موج صوتی و گرمایی تولید میشود و در مرحله سوم آشکارسازی سیگنال آکوستیکی تشدید شده در سلول گاز توسط یک میکروفون صورت میگیرد.[3] طرحوارهای از فرآیندهای ذکر شده در شکل - 1 - نشان داده شده است.
شکل : - 1 - طرحوارهای از تولید موج آکوستیکی در یک آشکارساز فوتوآکوستیک لیزری
سیگنال آشکارسازی شده برای هر گازی منحصر به فرد است و میتوان گاز مورد نظر را مورد آشکارسازی قرار داد.
هدف این کار تحقیقی آشکارسازی بخارات بنزن است. جهت انجام آشکارسازی نیاز است که طیف جذبی ماده معلوم باشد تا لیزر مناسب جهت بکارگیری در طیف نگاری PA انتخاب شود. بنزن با فرمول شیمیایی C6H6 دارای طیف جذبی IR مطابق نمودار شکل - 2 - میباشد. همانطور که از نمودار مشخص است این ماده در 9/8ʽm جذب نسبتاّ خوبی دارد و چندین پیک نیز در کنار آن وجود دارد، بنابراین بکارگیری لیزر CO2 با گسیل قوی در ناحیه طولموجی 9-11ʽm جهت انجام این طیفنگاری مناسب میباشد.
شکل - : - 2 طیف جذبی بنزن در ناحیه فروسرخ
-2 نتایج تجربی
چیدمان آزمایشگاهی مطابق شکل - 3 - آماده گردید که در آن سلول فوتوآکوستیک دارای سه قسمت شامل دو محفظه بافر انتهایی و تشدیدگر میانی است که میکروفون در وسط و مماس بر سطح داخلی تشدیدگر، محل بیشترین دامنه سیگنال، قرار میگیرد. لیزر CO2 پیوسته با طولموج 10/64 P و توان قابل تنظیم، با برشگر مدوله شده و توان آن در محل خروج باریکه از سلول توسط توان سنج اندازهگیری میشد. قطر باریکه لیزر با عبور از یک روزنه 4mm انتخاب میشد
شکل : - 3 - چیدمان آزمایشگاهی طیف نگاری فوتوآکوستیک
برای آشکارسازی غلظت بخار بنزن مقدار 400mtorr - 526 10 3 mbar - از آن را به سلول خلاء شده تزریق و به تدریج گاز بافر هوای خشک در فشارهای مختلف به سلول اضافه میشد در حالیکه توان لیزر در تمام این مراحل در حدود 0/3W ثابت بود. در هر مرحله تغییرات فرکانس تشدید و سیگنال، توسط اسیلوسکوپ در حوزه زمانی و فرکانسی ثبت میشد که در شکل - 4 - نمونه ای از سیگنال مشاهده شده و در نمودار شکل - 5 - تغییرات سیگنال فوتوآکوستیک با افزایش فشار گاز بافر نشان داده شده است.
شکل : - 4 - نمونهای از سیگنال مشاهده شده بخار بنزن
شکل : - 5 - تغییرات سیگنال فوتوآکوستیک با تغییر فشار گاز بافر
همانگونه که از نمودار مشخص است، با افزایش فشار گاز بافر، سیگنال PA افزایش می یابد. دلیل اصلی این افزایش مربوط به نوع مکانیزم فروافت به حالت پایه است. در حالت کلی فروافت، ترکیبی از فرایندهای تابشی و برخوردی میباشد و در فشارهای پایین تلفات ناشی از فروافت تابشی کم بوده ولی با افزایش فشار، فرایندهای برخوردی بهبود می یابد6]و.[7 بنابراین انتظار داریم که سیگنال PA که منشاء آن فرایندهای برخوردی است افزایش یابد.
برای بررسی وابستگی سیگنال فوتوآکوستیک بخار بنزن به توان لیزر CO2 مجدداً سلول را خلاء کرده و 526 10 3 mbar بخار کلروفرم به آن تزریق شده و 700mbar گاز بافر هوای خشک به آن اضافه گردید. سپس در فرکانس تشدید با افزایش توان لیزر، سیگنال ایجاد شده توسط اسیلوسکوپ ثبت گردید که نمودار شکل - 6 - حاصل سیگنالهای معادل به دست آمده می-باشد.
شکل : - 6 - نمودار تغییرات سیگنال فوتوآکوستیک با توان لیزر
این آزمایش نشان میدهد که در شرایط یکسان، با افزایش توان لیزر، سیگنال PA افزایش مییابد. این موضوع تجربی با توجه به رابطه - 1 - که بیانگر رابطه نظری سیگنال PAبا توان لیزر است کاملاً توافق دارد.
در این رابطه Sm پاسخ دهی میکروفون، Cj ثابت سلول در فرکانس تشدید j - - ، P0 توان لیزر فرودی و ضریب جذب میباشد. همانگونه که از رابطه - 1 - مشخص است با افزایش توان لیزر سیگنال PA افزایش مییابد. که این نتایج با کارهای قبلی مطابقت دارد
برای به دست آوردن حساسیت سیستم، باید غلظت بخار بنزن و سیگنال به نویز - SNR - را برای حالت اشباع داشته باشیم، غلظت گاز تزریقی به سیستم از نسبت فشار گاز نمونه به فشار گاز بافر طبق قانون گازها به دست میآید. غلظت بخار بنزن زمانی که 526 10 3 mbar از آن همراه با 700mbar گاز بافر در سیستم قرار میگیرد، با استفاده از رابطه - 2 - مقدار 751ppm محاسبه میشود
