Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2022, № 11 · RADIO WAVE PROPAGATION

Simulation of the impact of the cell interference on the THz gas absorption spectrum meashured by nonstationar spectroscopy methods

A.V. Semenova1,2, A.A. Yablokov1, V.A. Anfertev1,2, T.D. Knyazeva2

1 IPMRAS, Afonino, Russia
2 Lobachevsky State University of Nizhny Novgorod, Nizhny Novgorod, Russia
Full text DOI: 10.30898/1684-1719.2022.11.16 UDC 535.41 537.86 EDN AIJPFG

Abstract

Cell is the important part of the terahertz (THz) spectrometer designed to study the chemical composition of multicomponent gas mixtures, since it is used for supporting the optimal pressure of the gaseous sample. However, the reflection of electromagnetic waves from the cell windows leads to standing-wave interference, which can distort the measured spectrum. Mathematical modeling of the impact of the interference on the measured spectrum was carried out in the paper. The cell was treated as a Fabry-Perot cavity with infinite flat dielectric mirrors. Diffraction of electromagnetic waves, as well as the frequency dependences of the source power and the detector sensitivity, was taken out of the scope of the considered model. The two effects of the interference were described. The interference not only determined the slow frequency dependence of the cell transmission spectrum, but also affected the profile of the gas absorption lines reconstructed from the cell spectrum in accordance with the Bouguer-Lambert-Beer law. Both the processing of the measured spectrum and the setup calibration required for accurate quantitative measurements could be complicated by the effects. However, methods of modulation and non-stationary spectroscopy enabled to eliminate the first effect, they were possibly ineffective to eliminate the second one. Presumably, the detected distortion of the contour of the absorption lines was caused by a shift in the interference pattern and, accordingly, a change in the reflection coefficient of the cell due to the anomalous dispersion of the sample. The correlation of the distortions with the derivatives of the transmission spectrum of the empty cell was revealed. The obtained results could be used to develop algorithms for calibrating the measuring setup and processing experimental data.

  • absorption spectroscopy
  • abnormal dispersion
  • standing wave interference
  • THz
Аннотация (на русском)

Исследование влияния интерференции в кювете на поглощение газа, измеренное с использованием метода нестационарной ТГц спектроскопии

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.

For citation

Semenova A.V., Yablokov A.A., Anfertev V.A., Knyazeva T.D. Simulation of the impact of the cell interference on the THz gas absorption spectrum meashured by nonstationar spectroscopy methods // Journal of Radio Electronics. – 2022. – No. 11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2022.11.16

References

  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