Aproape fiecare moleculă mică în fază gazoasă (de exemplu, CO2, H2O, H2S, NH3) are un spectru unic de absorbție în infraroșu apropiat. La presiunea subatmosferică, aceasta constă dintr-o serie de linii înguste, bine rezolvate, ascuțite, fiecare la o lungime de undă caracteristică. Deoarece aceste linii sunt bine distanțate și lungimea lor de undă este binecunoscută, concentrația oricărei specii poate fi determinată prin măsurarea puterii acestei absorbții, adică a înălțimii unui vârf specific de absorbție. Dar, în spectrometrele în infraroșu convenționale, gazele în urmă oferă o absorbție mult prea mică pentru a fi măsurată, limitând de obicei sensibilitatea la părțile pe milion în cel mai bun caz. CRDS – Cavity Ring-Down Spectroscopy – evită această limitare a sensibilității prin utilizarea unei lungimi efective de mai mulți kilometri. Permite monitorizarea gazelor în câteva secunde sau mai puțin la nivelul părților pe miliard, iar unele gaze la nivelul părților pe trilion.
În CRDS, fasciculul de la o diodă laser cu o singură frecvență intră într-o cavitate definită de două sau mai multe oglinzi cu reflectivitate ridicată. Analizoarele Picarro folosesc o cavitate cu trei oglinzi, ca în figura de mai jos, pentru a susține o undă luminoasă continuă. Acest lucru oferă un semnal superior la zgomot în comparație cu o cavitate cu două oglinzi care suportă o undă staționară. Când laserul este pornit, cavitatea se umple rapid cu lumină laser care circulă. Un fotodetector rapid detectează cantitatea mică de lumină care se scurge printr-una dintre oglinzi pentru a produce un semnal care este direct proporțional cu intensitatea din cavitate.
Când semnalul fotodetectorului atinge un nivel de prag (în câteva zeci de microsecunde), laserul cu undă continuă (CW) este oprit brusc. Lumina deja din cavitate continuă să sară între oglinzi (de aproximativ 100.000 de ori), dar deoarece oglinzile au o reflectivitate puțin mai mică de 100% (99,999%), intensitatea luminii din interiorul cavității se scurge în mod constant și scade la zero într-un mod exponențial. Modă. Această dezintegrare, sau „inel în jos”, este măsurată în timp real de către fotodetector, iar timpul necesar pentru ca inelul să se întâmple este determinat doar de reflectivitatea oglinzilor (pentru o cavitate goală). Luați în considerare că pentru o cavitate Picarro de numai 25 cm lungime, lungimea efectivă a căii în interiorul cavității poate fi de peste 20 de kilometri.
Acum, dacă o specie de gaz care absoarbe lumina laser este introdusă în cavitate, un al doilea mecanism de pierdere în cavitate (absorbție) este acum introdus. Acest lucru accelerează timpul de oprire a inelului în comparație cu o cavitate fără nicio absorbție suplimentară din cauza unei specii de gaz vizate. Instrumentele Picarro calculează și compară automat și continuu timpul de oprire a inelului cavității cu și fără absorbție din cauza speciei de gaz țintă. Acest lucru produce măsurători precise, cantitative, care țin cont de orice pierdere intra-cavitată care se poate schimba în timp și permite discriminarea pierderilor datorate absorbției de pierderile datorate oglinzilor cavitate. Mai mult, datele de concentrație finale sunt deosebit de robuste, deoarece sunt derivate din diferența dintre acești timpi de oprire a inelului și, prin urmare, sunt independente de fluctuațiile de intensitate a laserului sau de puterea absolută a laserului.
Această schemă de comparare a timpului de oprire a inelului al cavității fără niciun gaz absorbant, cu timpul de oprire a inelului atunci când un gaz țintă absoarbe lumină, se realizează nu prin îndepărtarea gazului din cavitate, ci mai degrabă prin utilizarea unui laser a cărui lungime de undă poate fi reglată. Prin reglarea laserului la diferite lungimi de undă în care gazul absoarbe lumina și apoi la lungimi de undă în care gazul nu absoarbe lumina, timpul de oprire a inelului „numai în cavitate” poate fi comparat cu timpul de oprire a inelului atunci când un gaz țintă contribuie la sistemul optic. pierdere în interiorul cavității.
De fapt, laserul este reglat în mai multe locații de-a lungul liniei spectrale de absorbție a gazului țintă (și măsurătorile inelului sunt efectuate în toate aceste puncte) și o potrivire matematică la forma acelei linii de absorbție este ceea ce este de fapt utilizat pentru a calcula concentrația de gaz. .
Accesați descrierea tehnică CRDS pentru calculele utilizate de instrument pentru a converti semnalele brute în date de concentrație.
Intensitatea luminii în funcție de timp într-un sistem CRDS cu și fără o probă care are absorbanță rezonantă. Aceasta demonstrează modul în care pierderea optică (sau absorbția de către gaz) este redată într-o măsurătoare de timp.
