RU2568938C1

RU2568938C1 - Molecular gases detection and identification device

Info

Publication number: RU2568938C1
Application number: RU2014132610/28A
Authority: RU
Inventors: Казбек Абубович Бжеумихов; Заур Чамилович Маргушев; Юрий Владимирович Савойский
Priority date: 2014-08-07
Filing date: 2014-08-07
Publication date: 2015-11-20

Abstract

FIELD: instrumentation.

SUBSTANCE: invention relates to gas optical detectors and identifiers and can be used for high-quality analysis of molecular gas composition, as an optoelectronic identifier for detection of toxic gases, control over food quality, monitoring of environments and prevention of deceases of respiratory system. Claimed device comprises the IR wideband radiation source, optical waveguide with several hollow waveguide channels, each being surrounded with photon-crystalline shell composed of several plies of microcapillaries, and IR radiation intensity registration system. Note here that the data on composition of analysed gas filling said waveguide channels is output as a unique multi-digit binary code.

EFFECT: detection and identification at gases of higher selectivity, lower costs.

3 cl, 5 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Изобретение относится к абсорбционной спектроскопии инфракрасного диапазона и может быть использовано для детектирования и идентификации токсичных газов, контроля качества пищевых продуктов, мониторинга окружающей среды, а также для профилактики состояния здоровья людей с помощью анализа состояния выдыхаемого воздуха.The invention relates to infrared absorption spectroscopy and can be used for the detection and identification of toxic gases, food quality control, environmental monitoring, as well as for the prevention of human health by analyzing the state of exhaled air.

Уровень техникиState of the art

На сегодняшний день существует множество методов качественного и количественного анализа компонентов газовых смесей. В основе этих методов лежат зависимости физических параметров среды от концентраций определяемых компонентов. По характеру измеряемого физического параметра существующие методы детектирования и идентификации газов делятся на механические, акустические, тепловые, магнитные, оптические, ионизационные, масс-спектрометрические, электрохимические, полупроводниковые. Несмотря на большое разнообразие, на сегодняшний день не существует универсальных методов газоанализа, и как следствие каждый из них ориентирован на отдельные или ограниченные группы газов. В итоге разработка новых и развитие известных методов и устройств газоанализа с целью увеличения их чувствительности, селективности и экспрессности является значимой научной проблемой. Одним из наиболее перспективных направлений газоанализа считаются оптические методы, где в качестве аналитического сигнала измеряют оптическую плотность (абсорбционные методы), интенсивность излучения (эмиссионные методы), коэффициент преломления (рефрактометрический). Абсорбционные методы, основанные на измерении селективного поглощения ИК, УФ или видимого излучения контролируемым компонентом, находят широкое применение для детектирования и анализа и компонентного состава молекулярных газов. В частности, в заявке на патент РФ RU 2441219 C1, 19.07.2010 (СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОМПОНЕНТНОГО СОСТАВА ПРИРОДНОГО ГАЗА В РЕАЛЬНОМ МАСШТАБЕ ВРЕМЕНИ) реализован способ определения компонентного состава природного газа и близких к нему по составу газовых смесей (метан, этан, пропан, бутан, пентан и углекислый газ) в реальном масштабе времени методом оптической абсорбционной спектроскопии. Поставленная задача в заявке решается путем цикличного во времени или одновременного измерения поглощения излучения анализируемым газом на различных комбинациях длин волн (от восьми до девяти длин волн в каждой комбинации) инфракрасного спектрального диапазона, соответствующих центрам полос поглощения компонентов природного газа. Данные комбинации выбираются исходя из того, к какой категории относится природная газовая смесь, что, в свою очередь, определяется предварительным измерением поглощения излучения анализируемым газом на семи длинах волн инфракрасного спектрального диапазона, соответствующих центрам полос поглощения компонентов природного газа. Изобретение позволяет анализировать компонентный состав природных газовых смесей в реальном масштабе времени с чувствительностями измерения долей их компонентов на уровне не хуже чем 3·10^-3% от общего объема, что достаточно для проведения компонентного количественного анализа природных газовых смесей различного состава в соответствии с принятыми стандартами. С другой стороны в предлагаемом подходе выбранные комбинации длин волн ориентированы на определенную группу газов и, следовательно, такой метод также не может претендовать на универсальность.Today, there are many methods for qualitative and quantitative analysis of the components of gas mixtures. These methods are based on the dependence of the physical parameters of the medium on the concentrations of the determined components. By the nature of the measured physical parameter, the existing methods for detecting and identifying gases are divided into mechanical, acoustic, thermal, magnetic, optical, ionization, mass spectrometric, electrochemical, semiconductor. Despite the great variety, today there are no universal methods of gas analysis, and as a result, each of them is focused on individual or limited groups of gases. As a result, the development of new methods and the development of well-known gas analysis methods and devices in order to increase their sensitivity, selectivity and expressness is a significant scientific problem. One of the most promising areas of gas analysis is considered to be optical methods, where optical density (absorption methods), radiation intensity (emission methods), and refractive index (refractometric) are measured as an analytical signal. Absorption methods based on the measurement of the selective absorption of IR, UV or visible radiation by a controlled component are widely used for detection and analysis and the composition of molecular gases. In particular, in the patent application of the Russian Federation RU 2441219 C1, 07/19/2010 (METHOD FOR DETERMINING THE COMPONENT COMPOSITION OF NATURAL GAS IN REAL TIME), a method for determining the component composition of natural gas and gas mixtures close to it (methane, ethane, propane, butane , pentane and carbon dioxide) in real time by optical absorption spectroscopy. The task in the application is solved by cyclically or simultaneously measuring the absorption of radiation by the analyzed gas at various combinations of wavelengths (from eight to nine wavelengths in each combination) of the infrared spectral range corresponding to the centers of the absorption bands of natural gas components. These combinations are selected based on which category the natural gas mixture belongs to, which, in turn, is determined by a preliminary measurement of the absorption of radiation by the analyzed gas at seven infrared wavelengths corresponding to the centers of the absorption bands of the components of natural gas. The invention allows to analyze the component composition of natural gas mixtures in real time with sensitivities for measuring the proportions of their components at a level no worse than 3 · 10 ^-3 % of the total volume, which is sufficient to conduct a quantitative component analysis of natural gas mixtures of various compositions in accordance with accepted standards . On the other hand, in the proposed approach, the selected combinations of wavelengths are oriented to a certain group of gases and, therefore, such a method also cannot claim universality.

Одно из интересных направлений развития рефрактометрических методов связано с появлением фотонно-кристаллических оптических волокон (ФКВ) [J.C. Knight, T.A. Birks, P.S.J. Russell, and D.M. Atkin, "All-silica single-mode optical fiber with photonic crystal cladding," Opt. Lett. 21, 1547-1549 (1996)]. Конструктивно ФКВ представляет собой протяженную диэлектрическую структуру с полой или сплошной сердцевиной, окруженная микроструктурированной оболочкой из двух и более слоев, с чередующимися показателями преломления. При этом показатель преломления может меняться как в одном (1D-ФКВ, или брэгговские волокна), так и в двух (2D-ФКВ) направлениях. Если период изменения показателя преломления фотонно-кристаллической оболочки соизмерим с длиной волны излучения, сфокусированной в сердцевину, то излучение с определенными длинами волн могут распространяться по полой сердцевине с минимальным затуханием за счет возникновения фотонных запрещенных зон по аналогии с энергетическими зонами электронов в полупроводниках. Важно при этом отметить, что спектральное положение фотонных запрещенных зон зависит от показателя преломления среды заполнения полой сердцевины ФКВ. Благодаря этой закономерности стало возможным использование ФКВ в качестве сенсорных устройств жидкостей и газов. Например, известно сенсорное устройство [CN 1900696 B (Xuechenyang zhang (cn)), Hollow core photon crystal fiber-optic fiber gas sensor], которое содержит ФКВ, обладающее относительно низкими потерями для света, распространяющегося вдоль полой сердцевины. Также имеется другое плечо интерферометра, содержащее кювету с эталонным газом, вдоль которого распространяется опорный пучок света. Система регистрации измеряет и сравнивает опорный и исследуемые пучки по изменению интерференционной картины. При заполнении полой сердцевины ФКВ исследуемым газом или изменении его концентрации меняются условия прохождения света в сердцевине полого волокна, что фиксируется системой регистрации.One of the interesting directions in the development of refractometric methods is associated with the appearance of photonic crystalline optical fibers (PCF) [J.C. Knight, T.A. Birks, P.S.J. Russell, and D.M. Atkin, "All-silica single-mode optical fiber with photonic crystal cladding," Opt. Lett. 21, 1547-1549 (1996)]. Structurally, PCF is an extended dielectric structure with a hollow or solid core, surrounded by a microstructured shell of two or more layers, with alternating refractive indices. In this case, the refractive index can vary both in one (1D-PCF, or Bragg fibers), and in two (2D-PCF) directions. If the period of change in the refractive index of the photonic crystal shell is commensurate with the wavelength of radiation focused to the core, then radiation with certain wavelengths can propagate along the hollow core with minimal attenuation due to the appearance of photonic band gaps by analogy with the electron energy bands in semiconductors. It is important to note that the spectral position of the photonic band gaps depends on the refractive index of the medium filling the hollow core of the PCF. Thanks to this pattern, it has become possible to use PCFs as sensory devices for liquids and gases. For example, a sensor device is known [CN 1900696 B (Xuechenyang zhang (cn)), Hollow core photon crystal fiber-optic fiber gas sensor], which contains PCF having relatively low losses for the light propagating along the hollow core. There is also another arm of the interferometer containing a cuvette with a reference gas along which a reference light beam propagates. The registration system measures and compares the reference and studied beams by changing the interference pattern. When filling the hollow core of the PCF with the gas under study or changing its concentration, the conditions for the passage of light in the core of the hollow fiber change, which is recorded by the registration system.

Наиболее близким по технической сущности (прототипом) к заявляемому изобретению является сенсорное устройство [RU 2432568 C1, ЖЕЛТИКОВ A.M., ФЕДОТОВ A.M. СЕНСОРНОЕ УСТРОЙСТВО НА ОСНОВЕ ПЛАНАРНЫХ И ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПОЛЫХ СВЕТОВОДОВ С ИНТЕГРИРОВАННОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ] на основе микроструктурированного волокна с полой сердцевиной для регистрации тонких слоев молекул, иммобилизуемых на поверхности оболочки, а также для регистрации малых изменений показателя преломления аналита, заполняющего воздушные отверстия волноводной структуры. Физический принцип отклика данной системы на среду заполнения полой сердцевины аналогичен предыдущему устройству. Различие состоит в том, что устройство содержит антирезонансную интерферометрическую систему, непосредственно интегрированную в оболочку волокна. Это существенно упрощает сенсорное устройство за счет того, что не нужен внешний интерферометр. Антирезонансная интерферометрическая система формирует узкие линии в спектре пропускания световода за счет многолучевой интерференции между волноводными модами полой сердцевины и стеклянной оболочки. Положение линии в спектре пропускания световода зависит от наличия аналита в полом световоде. Узкие линии в спектре пропускания позволяют повысить чувствительность регистрации малых изменений показателя преломления аналита и, следовательно, повысить чувствительность регистрации монослоев биомолекул (включая молекулы ДНК), иммобилизуемых на внутренней поверхности волновода.The closest in technical essence (prototype) to the claimed invention is a sensor device [RU 2432568 C1, ZHELTIKOV A.M., FEDOTOV A.M. A SENSOR DEVICE BASED ON PLANAR AND CYLINDRICAL HOLLOW FIBERS WITH AN INTEGRATED INTERFEROMETRIC SYSTEM] based on a microstructured fiber with a hollow core for detecting thin layers of molecules immobilized on the surface of the shell and for filling up the pattern of small changes. The physical principle of the response of this system to the filling medium of the hollow core is similar to the previous device. The difference is that the device contains an antiresonance interferometric system directly integrated into the fiber sheath. This greatly simplifies the touch device due to the fact that no external interferometer is needed. The antiresonant interferometric system forms narrow lines in the transmission spectrum of the fiber due to the multipath interference between the waveguide modes of the hollow core and the glass shell. The position of the line in the transmission spectrum of the fiber depends on the presence of analyte in the hollow fiber. Narrow lines in the transmission spectrum make it possible to increase the detection sensitivity of small changes in the refractive index of the analyte and, therefore, increase the detection sensitivity of monolayers of biomolecules (including DNA molecules) immobilized on the inner surface of the waveguide.

Недостатком данного устройства можно отметить следующее: согласно приведенным в патенте расчетам величина минимального изменения показателя преломления, которое может быть зарегистрировано устройством, обратно пропорциональна абсолютной величине показателя преломления детектируемого аналита. Для аналита с показателем преломления n₁~1.33 для полого волновода с выбранными геометрическими параметрами волокна расчетный параметр предела чувствительности к изменению показателя преломления устройства составил величину ~7·10^-4. Если рассматривать в качестве аналита молекулярные газы, то расчетный параметр минимального изменения показателя преломления, которое может быть детектировано, составляет величину порядка ~10^-3, т.к. показатели преломления большинства газов при атмосферном давлении лежат в диапазоне 1.00007÷1.002. Например, с помощью данного устройства невозможно будет обнаружить метан (n₁~1.000441) при атмосферном давлении. На наш взгляд, данное устройство более эффективно для детектирования жидкостей и молекул ДНК.The disadvantage of this device is the following: according to the calculations given in the patent, the minimum change in the refractive index that can be detected by the device is inversely proportional to the absolute value of the refractive index of the detected analyte. For an analyte with a refractive index n ₁ ~ 1.33 for a hollow waveguide with selected geometric parameters of the fiber, the calculated parameter of the limit of sensitivity to a change in the refractive index of the device was ~ 7 · 10 ^-4 . If we consider molecular gases as an analyte, then the calculated parameter of the minimum change in the refractive index that can be detected is of the order of ~ 10 ^-3 , because the refractive indices of most gases at atmospheric pressure are in the range 1.00007 ÷ 1.002. For example, using this device it will be impossible to detect methane (n ₁ ~ 1.000441) at atmospheric pressure. In our opinion, this device is more effective for detecting liquids and DNA molecules.

Также можно отметить, что авторы не указывают на возможность идентификации исследуемой среды с помощью предлагаемого устройства. Скорее всего, это связано с тем, что устройство использует в качестве отклика изменение показателя преломления аналита, которое приводит к сдвигу минимумов в спектре пропускания полого волновода. При этом одно и то же значение сдвига может быть достигнуто при анализе сред различного компонентного состава, следовательно, невозможно будет однозначно идентифицировать ее химический состав.It can also be noted that the authors do not indicate the possibility of identifying the studied environment using the proposed device. Most likely, this is due to the fact that the device uses as a response a change in the refractive index of the analyte, which leads to a shift of the minima in the transmission spectrum of the hollow waveguide. In this case, the same shear value can be achieved by analyzing media of different component composition, therefore, it will be impossible to uniquely identify its chemical composition.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

В основу изобретения положена задача создания устройства для детектирования и идентификации молекулярных газов, отвечающие требованиям по эксплуатации, безопасности и надежности.The basis of the invention is the creation of a device for the detection and identification of molecular gases that meet the requirements for operation, safety and reliability.

Поставленная задача решается в рамках абсорбционной спектроскопии видимого и инфракрасного диапазона и достижений современных оптоволоконных технологий.The problem is solved within the framework of absorption spectroscopy of the visible and infrared range and the achievements of modern fiber-optic technologies.

Общая особенность абсорбционных методов состоит в измерении ослабления интенсивности зондирующего излучения за счет поглощения его газовой средой. Схема устройства для реализации метода обычно включает источник зондирующего излучения, оптическую систему формирования пучка излучения, кювету с анализируемой газовой смесью, систему фильтров или монохроматор для выделения нужной области спектра излучения, приемник излучения, блок формирования и обработки сигнала. Авторы [Спектральный анализ неорганических газов / В.М. Немец и др. - Химия, 1988 - 240 с.] указывают возможности развития абсорбционного анализа путем модификации схем формирования и обработки сигнала, позволяющих улучшить его аналитические возможности. В рамках такой концепции нами предлагается устройство, которое состоит из источника излучения, многоканального ФКВ и системы регистрации спектра. В отличие от стандартной схемы абсорбционного анализа, функции узла формирования зондирующего пучка и кюветы с анализируемым газом одновременно выполняет 2-D ФКВ, которое имеет несколько полых волноводных канала (Фиг. 1). Если рассматривать отдельно один канал, то волноводная сердцевина окружена рядами микрокапилляров, которые образуют двумерную фотонно-кристаллическую оболочку (периодичность показателя преломления в азимутальном и радиальном направлениях). Наличие фотонного кристалла вокруг полости приводит к появлению разрешенных и запрещенных длин волн, которые могут распространяться вдоль полой сердцевины. Этот эффект проявляется на спектре пропускания чередованием максимумов и минимумов (Фиг. 2). Излучение с длинами волн, которые попадают на максимумы спектра, распространяются вдоль полости сердцевины практически без потерь в отличие от минимумов, которые ослабляются и гасятся полностью. В случае же заполнения полости волокна газообразным материалом, обладающим полосами поглощения на длинах волн, которые соответствуют максимумам пропускания сердцевины ФКВ, возникнет трансформация формы пика, вызванная эффективным взаимодействием зондирующего излучения с газом по всей длине волокна [W. Yang, D.B. Conkey, B. Wu, D. Yin, A.R. Hawkins, H. Schmidt, Nat. Photonics 2007, 1, 331]. Здесь важно отметить, что в отличие от прототипа, где в качестве сигнала отклика измеряется сдвиг минимумов на спектре пропускания, в данном случае измеряется ослабление интенсивности из-за поглощения газообразным аналитом. Как известно, молекулярные газы имеют интенсивные полосы поглощения в инфракрасной области. Поэтому очевидно, что для регистрации молекулярных газов требуется волокно, которое имеет полосы пропускания в ИК области. С другой стороны конечная ширина полос пропускания ФКВ ограничивает избирательность отклика на исследуемую среду. Для того чтобы увеличить диапазон отклика необходимо увеличить ширину полос пропускания на спектре волокна. Для решения этой задачи мы используем одно монолитное 2D-ФКВ с несколькими полыми каналами. Каждый канал имеет свою фотонно-кристаллическую оболочку. Отличие одного канала от другого состоит в различии структурных параметров соответствующей оболочки на 20-30 нм. Такое различие приводит к тому, что спектры пропускания каждого канала сдвигаются друг относительно друга и в итоге возникает разброс соответствующей полосы в районе 15-20%. Другое функциональное назначение использования многоканального ФКВ состоит в том, что с его помощью создается условие, при котором каждый канал реагирует на исследуемый газ уникальным образом. В дальнейшем, в результате математической обработки измеренных трансмиссионных спектров проводится сравнение интенсивностей зондирующего излучения на выходе каждого канала после (I) и до (I₀) заполнения его анализируемым газом. После этого на основе комплексного анализа выбирается порог по шкале I/I₀ и, если их отношение Ι/Ι₀ не превышает пороговое значение, ей присваивается код - «1», в противном случае - «0» [Mehmet Bayindir et al. // Anal. Chem. 2012, 84, 83-90]. В итоге появляется возможность детектирования определенного газа путем присвоения ему уникального многоразрядного кода. В дальнейшем, путем сравнения полученного кода с предварительно сформированной базой данных, можно проводить его идентификацию.A common feature of absorption methods is to measure the attenuation of the intensity of the probe radiation due to its absorption by the gas medium. The scheme of a device for implementing the method usually includes a probe radiation source, an optical system for generating a radiation beam, a cuvette with an analyzed gas mixture, a filter system or a monochromator to select the desired region of the radiation spectrum, a radiation receiver, a signal generating and processing unit. Authors [Spectral analysis of inorganic gases / V.M. German et al. - Chemistry, 1988 - 240 pp.] Indicate the possibilities for the development of absorption analysis by modifying the signal generation and processing schemes to improve its analytical capabilities. As part of this concept, we propose a device that consists of a radiation source, a multi-channel PCF and a spectrum recording system. In contrast to the standard absorption analysis scheme, the functions of the probe beam forming unit and the sample gas cell are simultaneously performed by 2-D PCF, which has several hollow waveguide channels (Fig. 1). If we consider one channel separately, the waveguide core is surrounded by rows of microcapillaries that form a two-dimensional photonic-crystalline shell (periodicity of the refractive index in the azimuthal and radial directions). The presence of a photonic crystal around the cavity leads to the appearance of allowed and forbidden wavelengths that can propagate along the hollow core. This effect is manifested in the transmission spectrum by alternating maxima and minima (Fig. 2). Radiation with wavelengths that reach the maxima of the spectrum propagate along the core cavity with virtually no loss, in contrast to the minima that are attenuated and quenched completely. If the fiber cavity is filled with gaseous material with absorption bands at wavelengths that correspond to the transmission maximums of the PCF core, a peak shape transformation will occur due to the effective interaction of the probe radiation with gas along the entire fiber length [W. Yang, DB Conkey, B. Wu, D. Yin, AR Hawkins, H. Schmidt, Nat. Photonics 2007, 1, 331]. It is important to note here that, in contrast to the prototype, where the shift of the minima in the transmission spectrum is measured as the response signal, in this case the attenuation due to absorption by gaseous analyte is measured. As you know, molecular gases have intense absorption bands in the infrared region. Therefore, it is obvious that the registration of molecular gases requires a fiber that has pass bands in the infrared region. On the other hand, the finite bandwidth of the PCF limits the selectivity of the response to the medium under study. In order to increase the response range, it is necessary to increase the bandwidth on the fiber spectrum. To solve this problem, we use one monolithic 2D-FKV with several hollow channels. Each channel has its own photonic crystal shell. The difference of one channel from another is the difference in the structural parameters of the corresponding shell at 20-30 nm. This difference leads to the fact that the transmission spectra of each channel are shifted relative to each other and as a result there is a spread of the corresponding band in the region of 15-20%. Another functional purpose of using multi-channel PCF is that with its help, a condition is created under which each channel reacts to the gas under investigation in a unique way. Further, as a result of mathematical processing of the measured transmission spectra, the intensities of the probe radiation at the output of each channel are compared after (I) and before (I ₀ ) filling it with the analyzed gas. After that, based on a comprehensive analysis, a threshold is selected on the I / I ₀ scale and, if their ratio Ι / Ι ₀ does not exceed the threshold value, it is assigned a code of “1”, otherwise, “0” [Mehmet Bayindir et al. // Anal. Chem. 2012, 84, 83-90]. As a result, it becomes possible to detect a specific gas by assigning it a unique multi-bit code. In the future, by comparing the resulting code with a pre-formed database, it can be identified.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

На фиг. 1 приведено микроскопическое изображение поперечного сечения 2D-ФКВ с семью волноводными каналами.In FIG. 1 shows a microscopic image of the cross section of a 2D-PCF with seven waveguide channels.

На фиг. 2 изображены измеренные спектры пропускания для каждого канала семиканального 2D-ФКВ длиной 21 см. Рабочий спектральный диапазон разбит на три зоны: I - 5850-7550 см^-1; II - 7550-9350 см^-1; III - 9350-11250 см^-1.In FIG. 2 shows the measured transmission spectra for each channel of the seven-channel 2D-PCF 21 cm long. The working spectral range is divided into three zones: I - 5850-7550 cm ^-1 ; II - 7550-9350 cm ^-1 ; III - 9350-11250 cm ^-1 .

На фиг. 3 иллюстрируется принцип перехода на бинарное кодирование при идентификации однокомпонентных газов: (а, б) - для условного газа G1; (в, г) - для условного газа G2; (д, е) - для условного газа G3.In FIG. 3 illustrates the principle of transition to binary coding for the identification of single-component gases: (a, b) - for conditional gas G1; (c, d) - for conditional gas G2; (d, f) - for conditional gas G3.

На фиг. 4 иллюстрируется принцип перехода на бинарное кодирование при идентификации двухкомпонентных газов: (а, б) - для условного газа G1+G2; (в, г) - для условного газа G1+G3.In FIG. 4 illustrates the principle of transition to binary coding for the identification of two-component gases: (a, b) - for conditional gas G1 + G2; (c, d) - for conditional gas G1 + G3.

На Фиг. 5 представлена схема базового оптоэлектронного логического устройства.In FIG. 5 is a diagram of a basic optoelectronic logic device.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Устройство детектирования и идентификации молекулярных газов содержит источник широкополосного излучения, многоканальное 2D-ФКВ и спектроанализатор ИК диапазона. В роли источника и детектора излучения использованы тепловое излучение галогеновой лампы мощности 50 Вт и спектроанализатор NIR512 (Ocean Optics) с рабочим диапазоном 5736-11727 см^-1, соответственно. Устройство отклика на газовую среду представляет собой ФКВ из стекла AR-Glass (Schott) с семью независимыми полыми каналами, каждый из которых окружен пятью слоями капилляров цилиндрической формы (Фиг. 1). ФКВ было изготовлено нами методом поликапиллярной технологии («The stack and draw process»). Суть метода состоит в многократной перетяжке предварительно упакованной сборки из стеклянных трубок в волокна с характерными размерами микронного масштаба в поперечном сечении. Волокно было изготовлено в два этапа. На первом этапе каждый канал 2D-ФКВ изготавливался отдельно. Для этого вручную собирается пакет гексагональной формы из 169 капилляров диаметра 1,5-2 мм, после чего из центральной части удаляют 19 капилляров для формирования полой сердцевины. В ходе дальнейшей температурной перетяжки пропорционально уменьшаются размеры структуры в поперечном сечении, при одновременном спекании капилляров оболочки друг с другом. В итоге получаем монолитную капиллярную структуру гексагональной формы, размер которой в поперечном сечении уменьшился в несколько раз, и имеющую в центре полость, диаметр которой также в несколько раз больше, чем диаметр одного капилляра. На втором этапе вручную собирается пакет из семи полученных на первом этапе структур длиной около 60 см. Полученный пакет укладывается внутрь дополнительной стеклянной трубки и опять перетягивается с откачкой воздуха из оболочки до требуемых размеров. Необходимо отметить, что структуры подбирались таким образом, чтобы у готового ФКВ после многократной перетяжки структурные параметры (внутренний диаметр микрокапилляров, расстояние между центрами соседних микрокапилляров) оболочки соседних каналов имели различие около нескольких десятков нм. В итоге получили монолитную конструкцию 2D-ФКВ с защитной оболочкой и семью волноводными каналами внутри (Фиг. 1). На Фиг. 2 на одном графике представлены измеренные спектры пропускания всех каналов ФКВ. Заметно, что все спектры по форме одинаковы и состоят из трех характерных пиков в заданном спектральном диапазоне. Сдвиг положений соответствующих пиков пропускания друг относительно друга связан с вышеуказанным различием в структурных параметрах оболочки каналов. Рабочий спектральный диапазон разбит на три зоны таким образом, что в каждую зону попадают соответствующие пики пропускания каждого из семи каналов. Данное действие направлено на увеличение разрядности бинарного представления кода анализируемого газа, что в конечном итоге увеличивает избирательность устройства.The molecular gas detection and identification device comprises a broadband radiation source, a multi-channel 2D-PCF and an infrared spectrum analyzer. In the role of a radiation source and detector, thermal radiation of a 50 W halogen lamp and a NIR512 spectrum analyzer (Ocean Optics) with an operating range of 5736-11727 cm ^-1 , respectively, were used. The gas response device is a PCF made of AR-Glass (Schott) glass with seven independent hollow channels, each of which is surrounded by five layers of cylindrical capillaries (Fig. 1). FKV was made by us by the method of multicapillary technology (“The stack and draw process”). The essence of the method is the multiple hauling of a pre-packaged assembly of glass tubes into fibers with characteristic cross-sectional micron sizes. The fiber was made in two stages. At the first stage, each 2D-FKV channel was manufactured separately. For this, a hexagonal shape pack of 169 capillaries with a diameter of 1.5-2 mm is manually assembled, after which 19 capillaries are removed from the central part to form a hollow core. In the course of further temperature constriction, the dimensions of the structure in cross section are proportionally reduced, while sintering the capillaries of the shell with each other. As a result, we obtain a monolithic capillary structure of a hexagonal shape, the size of which in the cross section has decreased several times, and having a cavity in the center, the diameter of which is also several times larger than the diameter of one capillary. At the second stage, a bag of seven structures obtained at the first stage of about 60 cm long is manually assembled. The resulting packet is placed inside an additional glass tube and again pulled with air pumping from the shell to the required dimensions. It should be noted that the structures were selected in such a way that, after repeated constriction of the finished PCF, the structural parameters (inner diameter of microcapillaries, distance between centers of neighboring microcapillaries) of the shells of neighboring channels had a difference of about several tens of nm. As a result, we obtained a monolithic 2D-FKV design with a protective sheath and seven waveguide channels inside (Fig. 1). In FIG. 2 on one graph shows the measured transmission spectra of all FKV channels. It is noticeable that all spectra are identical in shape and consist of three characteristic peaks in a given spectral range. The shift in the positions of the corresponding transmission peaks relative to each other is associated with the above difference in the structural parameters of the channel sheath. The working spectral range is divided into three zones so that the corresponding transmission peaks of each of the seven channels fall into each zone. This action is aimed at increasing the bit depth of the binary representation of the analyzed gas code, which ultimately increases the selectivity of the device.

Для доказательства корректности подхода по идентификации газов с помощью многоканального 2D-ФКВ нами проведен следующий модельный эксперимент. В качестве образцов молекулярных газов, заполняющих каналы волокна, были выбраны условные газы G1, G2, G3, в трансмиссионных спектрах которых в диапазоне 5850-11250 см^-1 имелись полосы поглощения в количестве от двух до трех (верхняя часть Фиг. 3а, в, д). Таким образом, спектр пропускания каждого канала ФКВ, заполненный условным газом, был сформирован как результат суперпозиции измеренного спектра пропускания канала без газа и спектра поглощения газа (нижняя часть Фиг. 3а, в, д).To prove the correctness of the approach for gas identification using multichannel 2D-PCF, we carried out the following model experiment. Conventional gases G1, G2, G3 were selected as molecular gas samples filling the fiber channels, in the transmission spectra of which in the range of 5850-11250 cm ^-1 there were absorption bands in an amount of two to three (the upper part of Fig. 3a, c, e). Thus, the transmission spectrum of each channel of the PCF filled with a conditional gas was formed as a result of a superposition of the measured transmission spectrum of the channel without gas and the absorption spectrum of gas (lower part of Fig. 3a, c, e).

Далее находились отношения интенсивностей излучения, прошедшего через волокно до и после заполнения газом для каждого из семи каналов и трех зон, соответствующих трем пикам, по отдельности, как отношение интегралов спектров пропускания экспериментального волокна с газом и без газа:Next, we found the ratios of intensities of radiation transmitted through the fiber before and after filling with gas for each of the seven channels and three zones corresponding to three peaks, separately, as the ratio of the integrals of the transmission spectra of the experimental fiber with and without gas:

где I₀ и I - интенсивности до и после «заполнения» волокна соответственно газами G1, G2, G3, k - волновой вектор, T(k) - спектр пропускания канала волокна, A(k) - спектр поглощения газа. Интегралы берутся в границах, соответствующих одной из трех зон.where I ₀ and I are the intensities before and after the fiber is "filled" with gases G1, G2, G3, k is the wave vector, T (k) is the transmission spectrum of the fiber channel, A (k) is the gas absorption spectrum. Integrals are taken within the boundaries corresponding to one of the three zones.

Полученные данные представлены в виде гистограммы на Фиг. 3б, г, е. Для перехода на бинарное представление результатов детектирования было выбрано пороговое значение на уровне 92-93% по шкале I/I₀. В случае, когда соотношение интенсивностей ниже порогового значения (черный цвет на гистограмме), ему присваивается «1», в противном случае (серый цвет) - «0». Таким образом, получены соответствующие бинарные коды: G1 - 110111100110110011110; G2 - 001001001001001001001; G3 - 100100111100100000100. Возможность детектирования смесей газов продемонстрирована аналогичным образом на примере двухкомпонентных газов G1 и G2 (Фиг. 4а, б), G1 и G3 (Фиг. 4в, г).The data obtained are presented as a histogram in FIG. 3b, d, e. To switch to the binary representation of the detection results, a threshold value of 92-93% was chosen on the I / I ₀ scale. In the case when the intensity ratio is below the threshold value (black on the histogram), it is assigned “1”, otherwise (gray) - “0”. Thus, the corresponding binary codes were obtained: G1 - 110111100110110011110; G2 - 001001001001001001001001; G3 - 100100111100100000100. The possibility of detecting gas mixtures was demonstrated in a similar way using two-component gases G1 and G2 (Fig. 4a, b), G1 and G3 (Fig. 4c, d).

Технология изготовления, использованная для реализации устройства, позволит относительно легко увеличить количество волноводных каналов ФКВ. Например, 19-канальное волокно можно изготовить путем добавления еще одного слоя гексагональной структуры в исходной сборке, и при этом разрядность бинарного кода будет равна 57. Данная технология позволит реализовать и другую топологию многоканального волокна - линейку, расположив исходные заготовки в одну линию и уложив в прямоугольную защитную оболочку, что возможно упростит дальнейшую техническую реализацию устройства.The manufacturing technology used to implement the device will allow relatively easy to increase the number of waveguide channels FKV. For example, a 19-channel fiber can be made by adding another layer of hexagonal structure in the original assembly, and the binary code will be 57 bits wide. This technology will also allow us to implement another multichannel fiber topology - a ruler, placing the initial blanks in one line and laying them in a rectangular protective shell, which may simplify the further technical implementation of the device.

Количество пиков пропускания на спектре и соответственно зон и общая разрядность бинарного кода в конечном итоге зависит наряду со структурными параметрами также и от материала волокна, рабочего диапазона источника широкополосного излучения и спектрометра.The number of transmission peaks in the spectrum and, respectively, of the zones and the total bit depth of the binary code ultimately depends, along with the structural parameters, also on the fiber material, the operating range of the broadband radiation source, and the spectrometer.

Для снижения затрат на техническую реализацию устройства предлагается исключить дорогостоящий спектроанализатор, заменив его оптоэлектронными логическими устройствами (ЛУ) на базе чувствительных в рабочем спектральном диапазоне охлаждаемых фотодиодов, включенных в электронную схему «фотореле». Базовая схема подобного реле приведена на Фиг. 5. Рассмотрим логику работы такого 3-разрядного ЛУ на примере одного из семи каналов многоканального 2D-ФКВ. В исходном состоянии, когда канал ФКВ не заполнен газом интенсивности излучений I0, на выходе из рассматриваемого канала на всех трех диапазонах (Ι, ΙΙ, ΙΙΙ) имеют свои максимальные значения. Далее излучение с выхода рассматриваемого канала проходит одновременно через три интерференционных светофильтра 1.1, 1.2, 1.3, настроенных на максимумы пропускания в соответствующих диапазонах, после чего попадает в окна фотодиодов 2.1, 2.2, 2.3, включенные в схемы компараторов (сравнивающие узлы) на базе операционных усилителей 3.1, 3.2, 3.3 (ОУ). Фотодиоды включены в режиме с обратным смещением. Напряжения на не инвертирующих входах ОУ устанавливаются с помощью соответствующих переменных резисторов 4.1, 4.2, 4.3 и являются пороговыми - задают порог срабатывания.To reduce the cost of the technical implementation of the device, it is proposed to exclude an expensive spectrum analyzer, replacing it with optoelectronic logic devices (LUs) based on sensitive photodiodes in the working spectral range included in the photo relay electronic circuit. The basic circuit of such a relay is shown in FIG. 5. Consider the logic of the operation of such a 3-bit LU as an example of one of the seven channels of multi-channel 2D-FKV. In the initial state, when the PCF channel is not filled with gas of radiation intensity I0, at the exit from the channel under consideration, all three ranges (Ι, ΙΙ, ΙΙΙ) have their maximum values. Further, the radiation from the output of the channel in question passes simultaneously through three interference filters 1.1, 1.2, 1.3, tuned to the transmission maximums in the corresponding ranges, after which it enters the windows of the photodiodes 2.1, 2.2, 2.3, included in the comparator circuits (comparing nodes) based on operational amplifiers 3.1, 3.2, 3.3 (OS). Photodiodes are turned on in reverse bias mode. The voltages at the non-inverting inputs of the op-amp are set using the corresponding variable resistors 4.1, 4.2, 4.3 and are threshold - set the threshold for operation.

При отсутствии газа на выходе компараторов формируются низкие напряжения, соответствующие логическим нулям, а при заполнении газом, в спектре которого имеются интенсивные полосы поглощения, соответствующие полосам пропускания рассматриваемого зон ФКВ, происходит ослабление интенсивности от уровня Ι₀ до I, сопротивление соответствующего данному диапазону 2.1 и/или 2.2 и/или 2.3 фотодиода увеличивается, что приводит к уменьшению падения напряжения на резисторе 5.1 и/или 5.2 и/или 5.3, а следовательно, и на инвертирующем входе компаратора 3.1 и/или 3.2 и/или 3.3. Как только напряжение на инвертирующем входе станет меньше, чем пороговое, что соответствует условию 92-93% по шкале Ι/Ι₀ в предыдущем примере, на выходе компаратора появится высокий уровень напряжения, соответствующий логической «1». Таким образом, рассматриваемый базовый вариант ЛУ формирует 3-разрядный бинарный код. Аналогичные ЛУ устанавливаются и для остальных каналов ФКВ (в рассмотренном выше варианте - семь ЛУ, что соответствует 21-бинарному разряду). Настройка устройства сводится к установке пороговых напряжений таким образом, чтобы происходила однозначная реакция на заполняемый газ, т.е. 92-93% по шкале Ι/Ι₀ для рассмотренного выше варианта.In the absence of gas, low voltages corresponding to logical zeros are formed at the output of the comparators, and when filled with gas, in the spectrum of which there are intense absorption bands corresponding to the transmission bands of the PCF zones under consideration, the intensity decreases from level Ι ₀ to I, the resistance corresponding to this range 2.1 and / or 2.2 and / or 2.3 of the photodiode increases, which leads to a decrease in the voltage drop across the resistor 5.1 and / or 5.2 and / or 5.3, and therefore at the inverting input of the comparator 3.1 and / or 3. 2 and / or 3.3. As soon as the voltage at the inverting input becomes less than the threshold, which corresponds to the condition of 92-93% on the Ι / Ι ₀ scale in the previous example, a high voltage level corresponding to the logical “1” will appear at the output of the comparator. Thus, the considered base version of the LN generates a 3-bit binary code. Similar LNs are also established for the remaining channels of the PCF (in the variant considered above, seven LNs, which corresponds to a 21-bit category). The setup of the device is reduced to setting the threshold voltages so that an unambiguous reaction to the gas being filled occurs, i.e. 92-93% on the Ι / Ι ₀ scale for the option considered above.

Claims

1. A molecular gas detection and identification device comprising a light source, an optical hollow fiber with an antiresonant interferometric system integrated directly into the cladding, a system for recording changes in light propagation conditions in the fiber with a detectable gas, characterized in that the hollow fiber is made in the form of a monolithic two-dimensional photonic a crystalline fiber having at least two or more waveguide hollow channels, each of which is surrounded by a photonic crystal the shell formed by several layers of microcapillaries laid around the cavity of the channel in the form of a hexagonal packing along the length of the fiber, and the registration system is designed to record changes in the integrated radiation intensity at the output of each fiber channel, while due to the peculiarities of the fiber design, different conditions for the absorption of probe radiation are provided gas analyte inside each waveguide channel, as a result of which each channel is assigned a logical “1” or “0” when the intensity the difference in the channel output, respectively, is lower or higher than the threshold intensity value, which is determined within the framework of mathematical data processing, and thus a binary code is generated, the bit capacity of which depends on the number of fiber channels and is uniquely determined by the composition of the test gas.

2. The gas detection and identification device according to claim 1, characterized in that the system for recording changes in the conditions of light propagation in the fiber is made in the form of an infrared spectrum analyzer.

3. The gas detection and identification device according to claim 1, characterized in that the system for recording changes in light propagation conditions in the fiber is made in the form of an optoelectronic logic device based on an interference light filter, an operational amplifier and a cooled infrared photodiode.