en
Назад
DOI: 10.17586/1023-5086-2026-93-05-60-70
УДК: 535.375.56
Применение спектроскопии комбинационного рассеяния для анализа состава газовой смеси
Шелаев А.В., Барышев А.В. Применение спектроскопии комбинационного рассеяния для анализа состава газовой смеси // Оптический журнал. 2026. Т. 93. № 5. С. 60–70. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-05-60-70
Shelaev A.V., Baryshev A.V. Application of Raman spectroscopy to gas mixture composition analysis [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2026. V. 93. № 5. P. 60–70. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-05-60-70
Предмет исследования. Конфигурации оптической системы возбуждения и измерения комбинационного рассеяния на молекулах газовой смеси. Цель работы. Разработка однопроходной системы для многокомпонентного газового анализа на основе спектроскопии комбинационного рассеяния. Метод. В фокусе лазерного пучка (длина волны 445 нм) происходит неупругое рассеяние на молекулах газа. Упругое рассеяние подавляется краевыми фильтрами, а неупругое рассеяние регистрируется конфокальным спектрометром. Основные результаты. Сравнены коллинеарная (в отраженном свете) и «скрещенная» оптические схемы. Последняя обеспечивает значительно лучшее отношение сигнал/шум. Максимальный сигнал достигнут при использовании параболического зеркала с фокусным расстоянием 15 см. При времени накопления 10 с пределы обнаружения H2 составили 60 ppm, N2, O2, CO2 — 240–270 ppm и H2O — 0,45% относительной влажности. Во всем диапазоне концентраций (0–100%) наблюдается линейная зависимость показаний от концентрации. Практическая значимость. Полученные результаты послужат основой для разработки прототипов оптических анализаторов состава газовой смеси.
спектроскопия комбинационного рассеяния, лазер, газ
Благодарность:статья подготовлена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (грант № 075-11-2025-057)
Коды OCIS: 300.6450, 010.1280
Список источников:1. Petrov D.V., Matrosov I.I., Tikhomirov A.A. High-sensitivity spontaneous raman spectrometer for gaseous media // J. Appl. Spectrosc. 2015. V. 82. № 1. P. 120–124. https://doi.org/10.1007/s10812-015-0073-4
2. O’Hira S., Elsevier B.V. Development of a compact real-time process gas analysis system for tritium accountancy for a DEMO fusion reactor by an application of laser Raman spectroscopy // Fusion Eng. Des. Elsevier B.V. 2021. V. 170. November. 2020. P. 112502. https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2021.112502
3. Wang P., Chen W., Wang J., et al. Hazardous gas detection by cavity-enhanced Raman spectroscopy for environmental safety monitoring // Anal. Chem. 2021. V. 93. № 46. P. 15474–15481. https://doi.org/10.1021/acs.analchem.1c03499
4. Sugimoto S., Asahi I., Shiina T. A practical-use hydrogen gas leak detector using CARS // Int. J. Hydrogen Energy. 2021. V. 46. № 37. P. 19693–19703. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.03.101
5. Chen Y., Wang Z., Li Z., et al. Development of an online detection setup for dissolved gas in transformer insulating oil // Appl. Sci. 2021. V. 11. № 24. P. 12149. https://doi.org/10.3390/app112412149
6. Bentaib A., Meynet N., Bleyer A. Overview on hydrogen risk research and development activities: Methodology and open issues // Nucl. Eng. Technol. Elsevier B.V. 2015. V. 47. № 1. P. 26–32. https://doi.org/10.1016/j.net.2014.12.001
7. Magne S., Nehr S., Buet X., et al. In situ gas monitoring by fiber-coupled Raman spectrometry for H-risk management in nuclear containment during a severe nuclear accident // IEEE Trans. Nucl. Sci. IEEE. 2020. V. 67. № 4. P. 617–624. https://doi.org/10.1109/TNS.2020.2965622
8. Petrov D.V., Tanichev A.S. 13CH4/12CH4 sensing using Raman spectroscopy // Spectrochim. Acta. Part A. Mol. Biomol. Spectrosc. 2024. V. 315. P. 124253. https://doi.org/10.1016/j.saa.2024.124253
9. Niemes S., Telle H.H., Bornschein B., et al. Accurate reference gas mixtures containing tritiated molecules: Their production and Raman‐based analysis // Sensors. 2021. V. 21. № 18. P. 6170. https://doi.org/10.3390/s21186170
10. Shayeganrad G. On the remote monitoring of gaseous uranium hexafluoride in the lower atmosphere using lidar // Opt. Lasers Eng. Elsevier B.V. 2013. V. 51. № 10. P. 1192–1198. https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2013.03.004
11. Golub T.P., Meyer K., Paul A., et al. Exploring the potential of a setup for combined quantification of hydrogen in natural gas – Raman and NMR spectroscopy // Spectrochim. Acta. Part A. Mol. Biomol. Spectrosc. 2025. V. 325. P. 125087. https://doi.org/10.1016/j.saa.2024.125087
12. Guo J., Luo Z., Lui Q., et al. High-sensitivity Raman gas probe for in situ multi-component gas detection // Sensors. 2021. V. 21. № 10. P. 1–8. https://doi.org/10.3390/s21103539
13. Adler-Golden S.M., Goldstein N., Bien F., et al. Laser Raman sensor for measurement of trace-hydrogen gas // Appl. Opt. 1992. V. 31. № 6. P. 831. https://doi.org/10.1364/AO.31.000831
14. Wang P., Chen W., Wang J. et al. Cavity-enhanced Raman spectroscopy for detection of trace gaseous impurities in hydrogen for fuel cells // Anal. Chem. 2023. V. 95. № 17. P. 6894–6904. https://doi.org/10.1021/acs.analchem.3c00066
15. Singh J., Muller A. High-precision trace hydrogen sensing by multipass Raman scattering // Sensors. 2023. V. 23. № 11. P. 5171. https://doi.org/10.3390/s23115171
16. Wang K., Zhang Z., Wu Z., et al. Diagnosis of multiple gases using a multi-pass ring cavity to enhance Raman scattering // Opt. Commun. 2024. V. 559. P. 130438. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2024.130438