Концентрационное насыщение сигнала лазерного сенсора газа.
Авторы
DOI:
https://doi.org/10.31489/2024No3/71-80Ключевые слова:
флуктуация-диссипация, коррелятор, фотодиод, метан, тетрахлорметан, аммиакАннотация
В настоящее время с достаточной точностью можно определить вид газа при его концентрации менее долей с помощью спектроскопических методов (оптических, радиотехнических, акустических). Наряду с этим практически важное значение имеет величина допустимых концентраций взрывоопасных, токсичных, вредных для техники и экологии газов. Известные физические экспериментальные исследования указывают лишь на линейную зависимость отклика лазерного газового сенсора при единицах . Методы исследования для единиц основаны на процессах горения, микровзрыва, структурных и фазовых превращений и не всегда применимы в реальных практических условиях. Работа посвящена анализу экспериментально полученных флуктуаций, вызванных лазерным лучом в газе в фотодиоде (приемнике сигнала) из-за его влияния не только на атомном уровне, но и в масштабах кластеров молекул наночастиц. Концентрация газа оценивается по флуктуационно-диссипативному отношению. Показано, что коррелятор сигнала насыщается до постоянного значения, когда квантовый (энергия лазерного фотона) и тепловой (температура наночастиц) факторы сопоставимы с ростом концентрации целевого газа. Критические значения концентрации насыщения определяются равенством этих двух факторов.
Библиографические ссылки
Gong W., Hu J., Wang Z., Wei Y., Li Y., Zhang T., Zhang Q., Liu T., Ning Y., Zhang W., Grattan T. V. (2022) Recent advances in laser gas sensors for applications to safety monitoring in intelligent coal mines. Frontiers in Physics, 10, 1058475. DOI:10.3389/fphy.2022.1058475. DOI: https://doi.org/10.3389/fphy.2022.1058475
Shin W., Hong S., Jeong Y., Jung G., Park J., Kim D., Choi K., Shin H., Koo R.H., Kim J.J., Lee J.H. (2023) Low-frequency noise in gas sensors: A review. Sensors and Actuators B: Chemical, 383, 133551. DOI:10.1016/j.snb.2023.133551. DOI: https://doi.org/10.1016/j.snb.2023.133551
Liu K., Wang L., Tan T., Guishi W., Zhang W., Chen W., Gao X. (2015) Highly sensitive detection of methane by near-infrared laser absorption spectroscopy using a compact dense-pattern multipass cell. Sensors and Actuators B: Chemical, 220, 1000 – 1005. DOI: 10.1016/j.snb.2015.05.136. DOI: https://doi.org/10.1016/j.snb.2015.05.136
Yu H.-L, Wang J., Zheng B, Zhang B.-W., Liu L.-Q., Zhou Y.-W., Zhang Ch., Xue, X.-L. (2020) Fabrication of single crystalline WO 3 nano-belts based photoelectric gas sensor for detection of high concentration ethanol gas at room temperature. Sensors and Actuators A: Physical, 303, 111865. DOI: 10.1016/j.sna.2020.111865. DOI: https://doi.org/10.1016/j.sna.2020.111865
Qiao Y., Arabi M., Xu W., Zhang H., Abdel-Rahman T.M. (2021) The impact of thermal-noise on bifurcation MEMS sensors. Mechanical Systems and Signal Processing, 161, DOI: 10.1016/j.ymssp.2021.107941. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2021.107941
Mehay T.P., Warmbier R., Quandt A. (2017) Investigation of density fluctuations in graphene using the fluctuation-dissipation relations. Computational Condensed Matter, 13, 1-5. DOI: 10.1016/j.cocom. 2017.08.008. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cocom.2017.08.008
Hsiang J.T., Hu B.L., Lin S.Y., Yamamoto K. (2019) Fluctuation-dissipation and correlation-propagation relations in (1 + 3)D moving detector-quantum field systems. Physics Letters B, 795, 694-699, DOI:10.1016/j.physletb.2019.06.062. DOI: https://doi.org/10.1016/j.physletb.2019.06.062
Moskalensky A.E., Yurkin M.A. (2021) A point electric dipole: From basic optical properties to the fluctuation–dissipation theorem. Reviews in Physics, 6. DOI: 10.1016/j.revip.2020.100047. DOI: https://doi.org/10.1016/j.revip.2020.100047
Bunker P.R., Jensen P. (2005) Symmetry and Broken Symmetry in Molecules. Encyclopedia of Life Support Systems (EOLSS), Eolss Publishers, Oxford http://www.eolss.net/Sample-Chapters/C06/E6-12A-02-06.pdf]
Pippard A.B. (1989) The Physics of Vibration. Cambridge University Press. ISBN 10: 0521372003 DOI: https://doi.org/10.1017/CBO9780511622908
Zhanabaev Z.Z., Grevtseva T.Y. (2014) Physical fractal phenomena in nanostructured semiconductors. Reviews in Theoretical Science, 2, 211 – 259. DOI: 10.1166/rits.2014.1023. DOI: https://doi.org/10.1166/rits.2014.1023
Schuster H.G. and Just W. (2005) Deterministic Chaos: An Introduction. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co.4. https://doi.org/10.1002/3527604804 DOI: https://doi.org/10.1002/3527604804
Chitarra O., Martin-Drumel M.A., Buchanan Z., Pirali O. (2021) Rotational and vibrational spectroscopy of 1-cyanoadamantane and 1-isocyanoadamantane. Journal of Molecular Spectroscopy, 378, 111468, DOI:10.1016/ j.jms.2021.111468. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jms.2021.111468
Adamu A.I., Dasa M.K., Bang O., Markos C. (2020) Multispecies Continuous Gas Detection With Supercontinuum Laser at Telecommunication Wavelength. IEEE Sensors Journal, 20(18), 10591-10597, DOI:10.1109/JSEN.2020.2993549. DOI: https://doi.org/10.1109/JSEN.2020.2993549
Wang K., Zhang Z., Wu Zh., Wang Sh., Guohua L., Shao J., Wu H., Tao M., Ye J. (2024) Diagnosis of multiple gases using a multi-pass ring cavity to enhance Raman scattering. Optics Communications, 559, 130438. doi:10.1016/j.optcom.2024.130438. DOI: https://doi.org/10.1016/j.optcom.2024.130438
