Резонаторная спектроскопия атмосферных газов в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн

РЕЗОНАТОРНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ АТМОСФЕРНЫХ ГАЗОВ В МИЛЛИМЕТРОВОМ И СУБМИЛЛИМЕТРОВОМ ДИАПАЗОНАХ ДЛИН ВОЛН

, ,

Институт прикладной физики РАН, Н. Новгород

serov@appl.sci-nnov.ru, trt@appl.sci-nnov.ru, parsh@appl.sci-nnov,

koma@appl.sci-nnov.ru, dmak@appl.sci-nnov.ru, kru@appl.sci-nnov.ru

Ключевые слова: молекулярная спектроскопия, резонатор Фабри-Перо, миллиметровые и субмиллиметровые волны, прецизионные измерения

Аннотация. В работе представлен обзор характеристик резонаторного спектрометра, разработанного в Институте прикладной физики РАН (ИПФ РАН), а также важнейшие экспериментальные результаты, полученные в последнее время с помощью этого спектрометра. Резонаторный спектрометр позволяет осуществлять прецизионное исследование линий атмосферных газов и континуума в диапазоне частот 45-500 ГГц в широком диапазоне температур и давлений. К важнейшим результатам относится получение уникальной широкодиапазонной записи спектра атмосферного поглощения, определение спектроскопических параметров линий водяного пара и кислорода, а также параметров континуума. Спектрометр позволил впервые осуществить наблюдение разрешенного вращательного спектра димеров воды в равновесных условиях, что является одним из важнейших достижений в молекулярной спектроскопии водяного пара за последние годы.

1. Экспериментальная установка

Резонаторные спектрометры на основе открытых квазиоптических резонаторов Фабри-Перо широко используются для исследования газов в миллиметровом (ММ) и субмиллиметровом (СубММ) диапазонах длин волн. Принцип работы резонаторного спектрометра основан на методе пробного резонанса. Потери энергии в резонаторе δtotal, которые включают собственные потери резонатора δresonator и потери в газе δgas, связаны с шириной резонансного контура. Для определения собственных потерь резонатора измеряется ширина резонансного контура резонатора, заполненного непоглощающим газом или помещенного в вакуум:

, (1)

где L – длина резонатора, c – скорость света в вакууме. После этого резонатор заполняется исследуемым газом и вновь определяется ширина резонансной кривой. При этом определяются полные потери энергии в резонаторе, включающие в себя потери в газе:

(2)

Из (1) и (2) определяем потери в газе:

, (3)

где fM = c/2πL – межмодовый частотный интервал. Частотные измерения являются на сегодняшний день наиболее точными, поэтому все величины, входящие в правую часть выражения (3), могут быть определены с очень высокой относительной точностью (в резонаторном спектрометре, используемом в ИПФ РАН, погрешность определения Δf и fM составляет порядка 100 Гц, а сами величины: Δf ~ 100 кГц, fM ~ 500 МГц, см. [1]). Коэффициент поглощения в газе на единицу длины α в случае малого поглощения (αL<<1) может быть определён по формуле:

(4)

При исследовании поглощения во влажных газах молекулы воды неконтролируемо адсорбируются на элементах связи и зеркалах, что приводит к появлению систематической погрешности измеренной величины поглощения в газе. Наибольшее влияние эта погрешность оказывает при температурах ниже комнатной. В этом случае необходимо применять метод вариации длины резонатора, который позволяет минимизировать систематическую погрешность [2, 3]. Применение метода вариации длины резонатора позволило впервые выполнить прецизионное лабораторное исследование континуального поглощения ММ волн во влажном азоте при температурах ниже 0°C: диапазон температур составлял от -12 до +55°C [3].

Кроме квазиоптического резонатора в состав спектрометра входят также источник ММ или СубММ излучения, система стабилизации и управления частотой излучения, детектор излучения, квазиоптический тракт и система оцифровки и численной обработки продетектированного сигнала отклика резонатора. Подробное описание резонаторного спектрометра, используемого в ИПФ РАН, содержится в работах [1,2]. Ключевым элементом, позволившим обеспечить высокую чувствительность спектрометра, является быстрый синтезатор, который позволяет сканировать частоту для записи резонансного контура без потери фазы колебаний. Благодаря этому возможно уменьшить время одного скана до 30 мс, что позволяет минимизировать ошибку измерений, связанную со смещением центральной частоты резонатора за время записи из-за механического дрейфа длины, вибраций и флуктуаций параметров атмосферы. Достигнутая вариационная чувствительность 4×10-9 см-1 превосходит чувствительность имеющихся аналогов.

2. Результаты

Резонаторный спектрометр позволяет исследовать профиль атмосферного поглощения, включая форму широких (~ 10 ГГц) молекулярных линий при атмосферном давлении. Уникальная широкодиапазонная запись спектра лабораторной атмосферы, приведенная на рис. 1, демонстрирует возможности спектрометра. Экспериментальное исследование спектра атмосферы позволяет с высокой точностью определять спектроскопические параметры линий молекулярного кислорода и водяного пара [4−10], информация о которых необходима для различных приложений, в первую очередь, для дистанционного зондирования окружающей среды. Современная модификация резонаторного спектрометра позволяет исследовать поглощение в газах в широком диапазоне температур и давлений.

Рис.1 Экспериментальная запись спектра поглощения лабораторной атмосферы в диапазоне 45-500 ГГц.

Другим важным направлением является исследование континуального поглощения атмосферы. Правильный учёт континуального поглощения, также как и правильный учёт поглощения в линиях, важен для практических приложений, связанных с распространением электромагнитных волн в атмосфере. Актуальной задачей является определение физических механизмов, ответственных за континуальное поглощение. Бесспорным является тот факт, что континуальное поглощение обусловлено парным столкновительным взаимодействием молекул, однако вопрос об относительных вкладах различных механизмов (в качестве которых рассматривается поглощение стабильными и метастабильными димерами водяного пара и других молекул, а также столкновительно-индуцированное поглощение) на сегодняшний день не решён однозначно. Одной из существенных проблем остается нехватка надежных экспериментальных данных. Исследование континуума с помощью резонаторного спектрометра позволило значительно продвинуться в этом направлении.

Выше уже упоминалось о лабораторном исследовании континуального поглощения ММ волн во влажном азоте в широком диапазоне температур. В результате этого исследования с наибольшей на сегодняшний день точностью определены параметры модельной функции, характеризующей континуальное поглощение в зависимости от температуры, давления и частоты электромагнитной волны [3].

Экспериментальное исследование континуума водяного пара при низком давлении позволило впервые обнаружить разрешённый вращательный спектр димеров воды в равновесных условиях, близких к атмосферным [11]. Из сравнения экспериментальных данных с расчётами следует, что вклад стабильных димеров воды в континуальное поглощение ММ волн водяным паром при комнатной температуре составляет не менее 90%. Этот результат важен для создания физически обоснованной модели континуального поглощения и дальнейшего развития представлений о механизмах межмолекулярного взаимодействия в газах [12].

Работа выполнена при частичной поддержке РФФИ.

Литература

[1] Krupnov A. F., Tretyakov M. Yu., Parshin V. V., Shanin V. N., Myasnikova S. E. Modern millimeter-wave resonator spectroscopy of broad lines // J. Mol. Spectrosc. 2000. V. 202, P. 107–115.

[2] Tretyakov M.Yu., Krupnov A.F., Koshelev M.A., Makarov D.S., Serov E.A., and Parshin V.V. Resonator spectrometer for precise broadband investigations of atmospheric absorption in discrete lines and water vapor related continuum in millimeter wave range // Rev. Scientific Instr. 2009. V. 80, 093106.

[3] Koshelev M. A., Serov E. A., Parshin V. V., Tretyakov M. Yu. Millimeter wave continuum absorption in moist nitrogen at temperatures 261–328 K // JQSRT 2011. V. 112, P. 2704–2712.

[4] Makarov D. S., Tretyakov M. Yu., Rosenkranz P. W. 60-GHz oxygen band: Precise experimental profiles and extended absorption modeling in a wide temperature range // JQSRT 2011. V. 112, P. 1420–1428.

[5] Makarov D. S., Koval I. A., Koshelev M. A., Parshin V. V., Tretyakov M. Yu. Collisional parameters of the 118-GHz oxygen line: Temperature dependence // J. Mol. Spectr. 2008. V. 252, P. 242−243.

[6] Tretyakov M. Yu., Parshin V. V., Koshelev M. A., Shanin V. N., Myasnikova S. E., and Krupnov A. F. Studies of 183 GHz water line: broadening and shifting by air, N2 and O2 and integral intensity measurements // J. Mol. Spectr. 2003. V. 218, P. 239−245.

[7] Tretyakov M. Yu., Parshin V. V., Koshelev M. A., Shkaev A. P., Krupnov A. F. Extension of the range of resonator scanning spectrometer into submillimeter band and some perspectives of its further developments // J. Mol. Spectr. 2006. V. 238, P. 91−97.

[8] Parshin V. V., Tretyakov M. Yu., Koshelev M. A., Serov E. A. Modern resonator spectroscopy at submillimeter wavelengths // IEEE Sensors J. 2013. V. 13, P. 18-23.

[9] Tretyakov M. Yu., Koshelev M. A., Vilkov I. N., Parshin V. V., Serov E. A. Resonator spectroscopy of the atmosphere in the 350-500 GHz range // JQSRT. 2013. V. 114, P. 109–121.

[10] Krupnov A. F., Tretyakov M. Yu., Belov S. P., Golubiatnikov G. Yu., Parshin V. V., Koshelev M. A., Makarov D. S., Serov E. A. Accurate broadband rotational BWO-based spectroscopy // J. Mol. Spectr. 2012. V. 280, P. 110–118.

[11] Tretyakov M. Yu., Serov E. A., Koshelev M. A., Parshin V. V., and Krupnov A. F. Water Dimer Rotationally Resolved Millimeter-Wave Spectrum Observation at Room Temperature // Phys. Rev. Lett. 2013. V. 110, 093001.

[12] Saykally R. J. Viewpoint: Simplest Water Cluster Leaves Behind its Spectral Fingerprint // Physics 2013. V. 6, 22. http://physics. aps. org/articles/v6/22.