Optoelektroniczny sensor tlenku i podtlenku azotu

• Autorzy: Wojtas J. , Mędrzycki R. , Rutecka B. , Mikołajczyk J. , Nowakowski M. , Bielecki Z. , Stacewicz T.

Warianty tytułu

EN

Optoelectronic NO and N2O sensor

• Konferencja: XV Międzynarodowa Szkoła Komputerowego Wspomagania Projektowania, Wytwarzania i Eksploatacji, Jurata, 09-13 maja 2011 r.
• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy przedstawiono sensory tlenku i podtlenku azotu, w których zastosowano jedną z najczulszych metod optoelektronicznych – spektroskopię strat we wnęce optycznej CEAS (ang. Cavity Enhanced Absorption Spectroscopy). Głównymi elementami sensorów są: impulsowe źródła promieniowania, wnęki optyczne o dużej dobroci, moduły detekcyjne z fotodiodami HgCdTe oraz układ cyfrowego przetwarzania sygnałów. Jako źródła promieniowania zastosowano jednomodowe lasery kaskadowe (QCL), których długości fal emitowanego promieniowania zostały dopasowane do maksimów przekroju czynnego na absorbcję analizowanych tlenków azotu. Na podstawie przeprowadzonych analiz, wybrano zakres średniej podczerwieni odpowiednio 5,23-5,29 mikrometra dla NO oraz oraz 4,46-4,54 mikrometra dla N2O. Dzięki temu znacząco ograniczony został wpływ widm absorpcyjnych cząsteczek takich jak H2O i CO2. Dzięki możliwości wykrywania śladowych ilości tlenku i podtlenku azotu możliwe jest wykrywanie wielu materiałów wybuchowych posiadających grupy nitrowe –NO2. Dlatego opracowanie sensorów tlenków azotu ma duże znaczenie dla zapewnienia bezpieczeństwa w strategicznych obszarach, obiektach państwowych oraz wojskowych, do kontroli podejrzanych obiektów, a także w medycynie i ochronie środowiska.

EN

The paper presents a project of the NO and N2O detection system. In the system was applied one of the most sensitive optoelectronic gas detection technique - Cavity Enhanced Absorption Spectroscopy (CEAS). The setup consist of two optical channel equipped with an pulsed radiation sources, high quality optical cavities built with spherical mirrors of high reflectance, photoreceiver and signal processing system. Two singlemode quantum cascade lasers (QCL) are applied as a light sources. Their spectra can be precisely tuned to absorption lines of NO and N2O using temperature or current modulation. In order to fulfill CEAS requirements the lasers radiations are injected into respective optical cavity under a very small angle in respect to its axis. Optimal parameters of the sensor (sensitivity and selectivity) are expected for following spectral regions: 5,23-5,29 micrometers for NO and 4,46-4,54 micrometers for N2O. The radiations leaving the both cavities are registered with two detection module consisting of HgCdTe (MCT) detectors with low noise transimpedance amplifiers. The constructed detection system is able to measure NO and N2O concentration at several ppb and sub ppb level level. Thus the developed sensor can be applied in atmosphere monitoring applications or it is also possible to use this system in detection of vapours from some explosive materials.

Słowa kluczowe

PL

sensor optoelektroniczny; tlenek azotu; podtlenek azotu

EN

optoelectronic sensor; nitric oxide; nitrous oxide

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Mechanik
• Rocznik: 2011
• Tom: R. 84, nr 7(CD)
• Strony: 927--934
• Opis fizyczny: Bibliogr. 27 poz., rys., tabl.

Twórcy

autor

Wojtas J.

autor

Mędrzycki R.

autor

Rutecka B.

autor

Mikołajczyk J.

autor

Nowakowski M.

autor

Bielecki Z.

autor

Stacewicz T.

• Wojskowa Akademia Techniczna

Bibliografia

• [1] Wojtas J., Bielecki Z., Mikołajczyk J., Szabra D., Rutecka B., Mędrzycki R., Gutowska M., Stecewicz T., Czyżewski A.: Projekt sensora par materiałów wybuchowych, Przegląd Elektrotechniczny, 86, nr 11a, 2010, s. 222-224.
• [2] Wojtas J., Bielecki Z., Cudziło S., Nowakowski M., Rutecka B., Niedbała R., Wesołowski M.: Projekt układu zatężania i dekompozycji par materiałów wybuchowych, Przegląd Elektrotechniczny, 86, nr 11a, 2010, (B), s. 225-228,
• [3] Niedbała R., Wesołowski M., Wojtas J., Bielecki Z.: Mikronagrzewnica indukcyjna do dekompozycji par materiałów wybuchowych, Elektronika, nr 7, 2010, (B), s. 246-249.
• [4] Mosier A.R., Klemedtsson L.: Methods of Soil Analysis, Part 2, Microbiological and Biochemical Properties, Soil Science Society of America Inc., Madison, Wisconsin 1994.
• [5] Drescher S.R., Brown S.D.: Solid phase microextraction-gas chromatographic-mass spectrometric determination of nitrous oxide evolution to measure denitrification in estuarine soils and sediments, Chroma, A 1133(1-2), 2006, pp. 300-304.
• [6] Grossel A., Ze´ninari V., Joly L., Parvitte B., Durry, G., Courtois D.: Photoacoustic detection of nitric oxide with a Helmholtz resonant quantum cascade laser sensor, Infrared Physics & Technology 51, 2007, pp. 95-10.
• [7] Bielecki Z., Kołosowski W., Wojtas J.: Optoelektroniczne sensory par materiałów wybuchowych, Biuletyn PIT, Nr 145, 2010, s. 45-47.
• [8] Holc K., Bielecki Z., Wojtas J., Perlin P., Goss J., Czyzewski A., Magryta P., Stacewicz T.: Blue laser diodes for trace matter detection, Optica Applicata, Vol. XL, No. 3, 2010, pp. 641-651.
• [9] Holc K., Bielecki Z., Wojtas J., Perlin P., Goss J., Czyżewski A., Magryta P., Stacewicz T.: Blue tunable laser diodes plasma for fluorine determination, Optica Applicata, Vol. 65, 2010, pp. 306-310.
• [10] Engel R., Berden G., Peeters R., Meijer G.,: Cavity enhanced absorption and cavity enhanced magnetic rotation spectroscopy, Rev. Sci. Instrum., 69, 1998, pp. 3763-3769.
• [11] Wojtas J., Czyzewski A., Stacewicz T., Bielecki Z.: Sensitive detection of NO2 with Cavity Enhanced Spectroscopy, Optica Applicata, Vol. 36, No. 4, 2006, pp. 461-467.
• [12] Nowakowski M., Wojtas J., Bielecki Z., Mikolajczyk J.: Cavity enhanced absorption spectroscopy sensor, Acta Phys. Pol. A, 116, 2009, pp. 363-367.
• [13] Wojtas J., Czyżewski A., Stacewicz T., Bielecki Z., Mikolajczyk J.: Cavity enhanced spectroscopy for NO2 detection, Proc. SPIE, Vol. 5954, 2005, pp. 174-178.
• [14] Wojtas J., Bielecki Z., Mikołajczyk J., Nowakowski M., Rutecka B.: Multi-spectral Optoelectronic Sensor Employing Cavity Enhanced Absorption Spectroscopy, PIERS Draft Procedings, Xian, China, 2010, pp. 1315-1318.
• [15] Wojtas J., Czyzewski A., Stacewicz T., Bielecki Z.: Sensitive detection of NO2 with Cavity Enhanced Spectroscopy, Optica Applicata, 36(4), 2006, pp. 461-467.
• [16] Wojtas J., Bielecki Z.: Signal processing system in the cavity enhanced spectroscopy, Opto-Electron. Rev., 16(4), 2008, pp. 44-51.
• [17] Wojtas J., Stacewicz T., Bielecki Z., Czyżewski A., Nowakowski M.: NO2 monitoring setup applying cavity enhanced absorption spectroscopy, Proc. SPIE 6585 (2007), 65851R-1 – 65851R-5.
• [18] Wojtas J., Bielecki Z., Mikołajczyk J., Nowakowski M.: Signal processing system in portable NO2 optoelectronic sensor, Sensor+Test 2008 Proceedings, Nurnberg, Germany, pp. 105-108.
• [19] Wojtas J., Bielecki Z., Stecewicz T., Czyżewski A., Mikołajczyk J., Nowakowski M., Rutecka B.: Ultrasensitive NOx optoelectronic sensor, Photonics Letters of Poland, Vol. 1 (2), 2009, pp. 85-87.
• [20] Rutecka B., Wojtas J., Bielecki Z., Mikołajczyk J., Nowakowski M.: Application of an optical parametric generator to cavity enhanced experiment, Proc. of SPIE, vol. 7745, 2010. (B), pp. 77450I-1 – 77450I-8.
• [21] Merola S.S., Vaglieco B.M., Mancaruso E.: Multiwavelength ultraviolet absorption spectroscopy of NO and OH radical concentration applied to a high-swirl diesel-like system, Experimental Thermal and Fluid Science, 28, 2004, pp. 355-367.
• [22] Rontu Carlon N., Papanastasiou D.K., Fleming E.L., Jackman C.H., Newman P.A., Burkholder J.B.: UV absorption cross sections of nitrous oxide (N2O) and carbon tetrachloride (CCl4) between 210 and 350K and the atmospheric implications, Atmos. Chem. Phys. Discuss., 10, 2010, pp. 11047-11080.
• [23] Hitran 2008 database, Ontar Corporation, www.ontar.com.
• [24] Bielecki Z., Leszczynski M., Holz K., Marona L., Mikolajczyk J., Nowakowski M., Perlin P., Rutecka B., Stacewicz T., Wojtas J.: Sub-ppb NOx detection by CEAS system with blue and IR diode laser, WIT Press – WIT Transactions on Modelling and Simulations, Vol. 48, 2009, pp. 203-215.
• [25] Piotrowski A., Madejczyk P., Gawron W., Klos K., Romanis M., Grudzien M., Rogalski A., Piotrowski J.: MOCVD growth of Hg1xCdxTe heterostructures for uncooled infrared photodetectors, Opto-Electron. Rev., 12, 2004, pp. 453-458.
• [26] Rogalski A., Bielecki Z.: Detection of optical radiation (chapter A1.4), Handbook of optoelectronics, Taylor & Francis, New York, London 2006, pp. 73-117.
• [27] Bielecki Z., Kolosowski W., Sedek E., Wnuk M., Wojtas J.: Multispectral detection circuits in special application, WIT Press – WIT Transactions on Modelling and Simulations, Vol. 48, 2009, pp. 217-228.