ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. ISSN 1684-1719. 2022. №11
Оглавление выпускаТекст статьи (pdf)
DOI: https://doi.org/10.30898/1684-1719.2022.11.16
УДК: 535.41 537.86
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ В КЮВЕТЕ
НА ПОГЛОЩЕНИЕ ГАЗА, ИЗМЕРЕННОЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
МЕТОДА НЕСТАЦИОНАРНОЙ ТГЦ СПЕКТРОСКОПИИ
А.В. Семенова 1,2, А.А. Яблоков 1, В.А. Анфертьев 1,2, Т.Д. Князева 2
1 ИФМ РАН, 603087, Нижегородская обл., д. Афонино, ул. Академическая, 7
2 ННГУ им. Лобачевского, Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23
Статья поступила в редакцию 7 декабря 2022 г.
Аннотация. Кювета является важным компонентом терагерцевого (ТГц) спектрометра, предназначенного для исследования химического состава многокомпонентных газовых смесей, так как позволяет содержать газообразный образец при оптимальном давлении. Однако отражение электромагнитных волн от окон кюветы приводит к интерференции, которая может искажать измеренный детектором спектр. В настоящей работе проведено математическое моделирование влияния интерференции электромагнитных волн в кювете на измеренный спектр газообразного образца в терагерцевом частотном диапазоне. В качестве кюветы рассматривался резонатор Фабри-Перо с бесконечными плоскими диэлектрическими зеркалами. Дифракция электромагнитных волн, а также частотные зависимости мощности источника и чувствительности детектора были вынесены за рамки рассмотренной модели. Показано, что интерференция не только определяет медленную частотную зависимость спектра пропускания кюветы, но и влияет на контур линий поглощения газа, восстановленных из спектра кюветы в соответствии с законом Бугера-Ламберта-Бера. Эти эффекты усложняют как обработку измеренного спектра, так и калибровку установки, необходимую для точных количественных измерений. Если для исключения первого эффекта применяются методы модуляционной и нестационарной спектроскопии, то для второго они могут оказаться недостаточны. Предположительно обнаруженное искажение контура линий поглощения обусловлено смещением интерференционной картины и, соответственно, изменением коэффициента отражения кюветы из-за аномальной дисперсии образца. Выявлена корреляция искажений с производными от спектра пропускания пустой кюветы. Полученные результаты могут быть использованы для разработки алгоритмов калибровки измерительной установки и обработки экспериментальных данных.
Ключевые слова: абсорбционная спектроскопия, аномальная дисперсия, интерференция, стоячие волны, ТГц.
Финансирование: Проект выполнен при поддержке РНФ, грант No.21-19-00357
Автор для переписки: Семенова Анна Владимировна, semenanna@yahoo.com
Литература
1. Sold S., Mummaneni B.C., Michenfelder N.C., Peng Y., Powell A.K., Unterreiner A.-N. et al. Experimental and Theoretical Study of the Ultrafast Dynamics of a Ni2Dy2-Compond in DMF After UV/Vis Photoexcitation. ChemistryOpen. 2022. V.11. e202100153. http://doi.org/10.1002/open.202100153
2. Pathade S.S., Adole V.A., Jagdale B.S., Pawar Th.B. Molecular Structure, Electronic, Chemical and Spectroscopic (UV-Visible and IR) Studies of 5-(4-Chlorophenyl)-3-(3,4-dimethoxyphenyl)-1-phenyl-4,5-dihydro-1H-pyrazole: Combined DFT and Experimental Exploration. Mat. Sci. Res. India. 2020. V.17. P.27-40. http://doi.org/10.13005/msri.17.special-issue1.05
3. Таунс Ч., Шавлов А. Радиоспектроскопия. Москва, Изд-во иностр. лит. 1959. 757 с.
4. Najib H. Experimental rovibrational constants and equilibrium structure of phosphorus trifluoride. J. Mol. Spectrosc. 2014. V.305. P.17-21. https://doi.org/10.1016/j.jms.2014.09.008
5. Wu Q.Y., Tan T.L. Improved ground state and v12 = 1 state rovibrational constants of formaldoxime (CH2NOH). J. Mol. Spectrosc. 2020. V.370. 111290. https://doi.org/10.1016/j.jms.2020.111290
6. Hacar A., Alves J., Burkert A., and Goldsmith P. Opacity broadening and interpretation of suprathermal CO linewidths: Macroscopic turbulence and tangled molecular clouds. A&A. 2016. V.591. A104. https://doi.org/10.1051/0004-6361/201527319
7. Markelz A., Whitmire S., Hillebrecht J. and Birge R. THz time domain spectroscopy of biomolecular conformational modes. Phys. Med. Biol. 2002. V.47. P.3797-3805. https://doi.org/10.1088/0031-9155/47/21/318
8. Sizov I., Rahman M., Gelmont B., Norton M.L., Globus T. Sub-THz spectroscopic characterization of vibrational modes in artificially designed DNA monocrystal. Chem.Phys. 2013. V.425. P.121-125. https://doi.org/10.1016/j.chemphys.2013.08.015
9. Mancini T., Mosetti R., Marcelli A., Petrarca M., Lupi S., D’Arco A. Terahertz Spectroscopic Analysis in Protein Dynamics: Current Status. Radiation. 2022. V.2. P.100-123. https://doi.org/10.3390/radiation2010008
10. Risby T.H., Solga S.F. Current status of clinical breath analysis. Appl. Phys. B. 2006. V.85. P.421-426. http://doi.org/10.1007/s00340-006-2280-4
11. Selvaraj R., Vasa N.J., Nagendra S.M.S., Mizaikoff B. Advances in Mid-Infrared Spectroscopy-Based Sensing Techniques for Exhaled Breath Diagnostics. Molecules. 2020. V.25. 2227. https://doi.org/10.3390/molecules25092227
12. Tabalina A.S., Anfmov D.R., Fufurin I.L., Golyak I.S. Infrared quantum cascade laser spectroscopy as non-invasive diagnostic tests for human diseases. Proc. of SPIE. 2020. V.11359. 113591J-1
13. Vaks V., Aizenshtadt A., Anfertev V., Chernyaeva M., Domracheva E., Gavrilova K., et al. Analysis of the Thermal Decomposition Products of Pathological and Healthy Tissues in Paranasal Sinuses: A High-Resolution Terahertz Gas Spectroscopy Study. Appl. Sci. 2021. V.11. P.7562. https://doi.org/10.3390/app11167562
14. Vaks V., Anfertev V., Chernyaeva M., Domracheva E., Yablokov A., Maslennikova A., et al. Sensing nitriles with THz spectroscopy of urine vapours from cancers patients subject to chemotherapy. Sci. Rep. 2022. V.12. P.18117. https://doi.org/10.1038/s41598-022-22783-z
15. Kharitonov S.A., Barnes P.J. Exhaled Markers of Pulmonary Disease. Am. J. Respir. Crit. Care Med. 2001. V.163. P.1693-1722. https://doi.org/10.1164/ajrccm.163.7.2009041
16. Du Zh., Zhang Sh., Li J., Gao N., Tong K. Mid-Infrared Tunable Laser-Based Broadband Fingerprint Absorption Spectroscopy for Trace Gas Sensing: A Review. Appl. Sci. 2019. V.9. 338. https://doi.org/10.3390/app9020338
17. Chen Z., Zhang Zh., Zhu R., Xiang Yu., Yang Yu., Harrington P.B. Application of terahertz time-domain spectroscopy combined with chemometrics to quantitative analysis of imidacloprid in rice samples. J Quant Spectrosc Radiat Transf. 2015. V.167. P.1-9. https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2015.07.018
18. Kawase M. Application of Terahertz Waves to Food Science. Food Sci. Technol. Res. 2012. V.18. №5. P.601-609. https://doi.org/10.3136/fstr.18.601
19. Eerdenbrugh B.V., Taylor L.S. Application of mid-IR spectroscopy for the characterization of pharmaceutical systems. Int. J. Pharm. 2013. V.417. P.3-16. https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2010.12.011
20. Biancolillo A., Marini F. Chemometric Methods for Spectroscopy-Based Pharmaceutical Analysis. Front. Chem. 2018. V.6. 576. https://doi.org/10.3389/fchem.2018.00576
21. Cahen C., Sassi M. Temperatures in a turbulent diffusion flame with and without exposure to an electric arc. J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 1993. V.49. №3. P.281-301. https://doi.org/10.1016/0022-4073(93)90090-5
22. Dinç E., Yazan Z. Wavelet Transform-Based UV Spectroscopy for Pharmaceutical Analysis. Front. Chem. 2018. V.6. P.503. https://doi.org/10.3389/fchem.2018.00503
23. Lou M., Swearer D.F., Gottheim S., Phillips D.J., Simmons J.G. Jr., Halas N.J., et al. Quantitative analysis of gas phase molecular constituents using frequency-modulated rotational spectroscopy. Rev. Sci. Instrum. 2019. V.90. P.053110. https://doi.org/10.1063/1.5093912
24. Semenova A.V., Anfertev V.A., Yablokov A.A., Knyazeva T.D. Systematic errors of THz absorption gas spectroscopy due to interference in a multi-pass cell. J. Phys.: Conf. Ser. 2022. V.2172 P.012010. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2172/1/012010
Для цитирования:
Семенова А.В., Яблоков А.А., Анфертьев В.А., Князева Т.Д. Исследование влияния интерференции в кювете на поглощение газа, измеренное с использованием метода нестационарной ТГц спектроскопии. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2022. №11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2022.11.16 (In Russian)