Лазер – в помощь!

Лазер – в помощь!

Герои одного из телесериалов помещают в некую установку пробирки с образцами разных веществ, и уже через секунду на экране их компьютера появляется перечень находящихся в ней химических элементов и соединений. Всегда считал, что это – фантастика, в жизни такого быть не может. Но я ошибался – подобный прибор спроектировал студент 4-го курса ФЭЛ Борис КАРАСЬ.

17.03.2020 158

Инновационный метод

Его проект «Разработка портативного цифрового комплекса для высокоточного измерения содержания в воздухе паров углеводородов нефти и нефтепродуктов» победил в конкурсе программы «УМНИК – Нефтегаз» 2019 и завоевал грант в размере 500 тысяч рублей. Разработка молодого исследователя сможет значительно лучше и быстрее одновременно определять свыше 10 различных веществ при чрезвычайно низкой их концентрации. По этим критериям концепт Бориса существенно опережает все существующие в России аналоги. «Принцип действия моего газоанализатора базируется на эффекте рамановского, или, как его иногда называют, – комбинационного рассеяния, – рассказывает Борис. – Он заключается в том, что рассеянное молекулами атмосферы лазерное излучение изменяет свою частоту. В результате в спектральном составе появляются спектральные линии, равные или кратные частоте внутримолекулярных колебаний этих веществ. Для каждого из них изменения индивидуальны, как отпечаток пальца для человека. Поэтому такой метод позволяет очень точно определять, какие именно вещества присутствуют в исследуемой воздушной среде, и в каком количестве. Причём мониторинг можно вести непрерывно, а не путём периодического забора проб. Результаты анализа можно выводить на экран монитора либо мобильного телефона, распечатывать на бумаге. А в случае опасного превышения допустимых норм концентрации каких-то веществ – включать звуковой или световой сигнал оповещения. Только рамановский метод при зондировании одним лазером позволяет регистрировать широкую гамму химических веществ без изменения состава и режима работы анализатора».

Инженерный подход

На первый взгляд, всё очень просто. Однако реальная концентрация регистрируемых веществ в исследуемой воздушной среде чрезвычайно мала, а внешние влияния, наоборот, велики. Борису требовалось решить сложную инженерную задачу повышения чувствительности разрабатываемого анализатора. Принципиально важным явился выбор длины волны, излучаемой лазером, находящейся в солнечно-слепой, ультрафиолетовой области спектра. Т.е. в той, где солнечный свет не присутствует и уровень шумовых фоновых помех минимален. Что позволяет использовать чрезвычайно высокие коэффициенты усиления, обеспечивая исключительную чувствительность дистанционной аналитической и регистрирующей фотоприёмной аппаратуры. Кроме того, эта часть спектра безопасна для зрения человека. Спектры рамановского рассеяния могут располагаться очень близко друг к другу, и чтобы в приёмном канале перекрыть наложение спектральных линий, требуется высокое спектральное разрешение. Поэтому в спектрографе-полихроматоре Борис предусмотрел использование голографических оптических элементов, позволяющих значительно снизить шумовые характеристики при спектральной селекции. 

Результат наставничества

В газете технического вуза нет нужды подробно описывать все физические процессы и технические детали работы данного прибора. Отмечу только, что, как это часто бывает в ЛЭТИ, ещё на 3-м курсе способного студента привлекли к работам по исследованию методов дистанционного зондирования, активно ведущимся на кафедре Фотоники. Как подчёркивает Борис: «Большую помощь и поддержку своего наставника, а также других преподавателей и сотрудников кафедры я получал на всех этапах работы над проектом газоанализатора. Дальнейшая, уже не столько теоретическая, сколько практическая работа тоже будет проходить в тесном контакте с ними. На средства гранта я планирую создать лабораторный макет и получить патент. А также, впоследствии, плотно заняться внедрением разработки». Перспективы использования новинки – обнадёживающие: к примеру, такие приборы можно применять для обнаружения утечек в нефте- и газопроводах, выявления незаконных «врезок», а также для экологического мониторинга и поиска полезных ископаемых. Причём такое зондирование можно вести как стационарно, так и с борта летательного аппарата круглосуточно.


Александр САЖИН