Аннотация
ВВЕДЕНИЕ 3
1 Обзор литературных источников 5
1.1 Основы спектроскопии КР света 5
1.2 Интенсивность процесса КР 7
1.3 Основы молекулярной спектроскопии 7
1.4 Структура спектра метана 9
1.5 Механизмы уширения спектральных линий 12
1.6 Работы по изучению влияния гелия на КР спектр метана 15
2 Экспериментальная часть 18
2.1 Система с однопроходным возбуждением 18
2.2 Система с многопроходным возбуждением 19
2.3 Регистрация спектров КР среды метан/гелий 20
3 Обработка спектров 23
3.1 Аппроксимация полос v2 и v3 модельным контуром 23
3.2 Интерполяция контура Q-ветви v1 28
4 Анализ полученных результатов 29
4.1 Коэффициенты уширения и сдвига линий v2 и v3 29
4.2 Положение и полуширина Q-ветви v1 31
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 33
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 34
Природный газ (ПГ) - полезное ископаемое, обладающее большим спросом в различных сферах промышленности. Оценки предсказывают стабильный рост его добычи в течение следующих сорока лет вплоть до 6 трлн м3 в год. Повышение спроса и темпов производства ПГ приводит к необходимости исследовать его состав с высокой точностью. Это актуально для контроля качества газа как сырья для производства, при оценке эффективности работы в котельных установках и печах, при транспортировке и продаже.
Основным методом по определению состава ПГ является метод газовой хроматографии. Однако он обладает рядом недостатков, таких как низкое быстродействие, отсутствие возможности анализа всех компонентов газа в рамках одного хроматографа, деградация разделительных колонок, дорогостоящее оборудование, к которому предъявляются большие требования и т.д. Метод спектроскопии комбинационного рассеяния (КР) лишен этих недостатков. Развитие оптических технологий в сторону повышения мощности лазерных источников и увеличения чувствительности детекторов делает спектроскопию КР актуальной на данный момент. Высокое быстродействие, одновременный анализ всех компонент и малогабаритность оборудования обеспечивают проведение анализа ПГ in situ. Условия проведения данного анализа предполагают вариацию давления и концентраций компонентов ПГ в широком диапазоне, что оказывает непосредственное влияние на спектр КР.
Доминирующим компонентом в составе ПГ является простой углеводород - метан (CH4) - он занимает около 70-98% от всего состава. Остальная часть приходится на тяжелые углеводороды и другие газы (водород, кислород, инертные газы и т.д.). При исследовании методом спектроскопии КР наблюдается перекрытие спектра метана со спектрами других компонентов. Гелий, содержание которого в ПГ может достигать 7%, являясь атомарным газом, не имеет своего спектра КР. Несмотря на это, он оказывает значительное влияние на форму спектральных линий метана. Отсутствие оценки данного воздействия ведет к неверному определению концентраций компонент и снижению точности метода.
Решением данной проблемы может служить моделирование спектра метана в широком диапазоне давлений и температур. Для этого, помимо интенсивностей и частот, необходимы такие спектральные параметры, как коэффициенты уширения и сдвига давлением. Данные величины хорошо определены в спектроскопии инфракрасного поглощения и объединены в единую базу данных Hitran. Интенсивности и частоты для спектроскопии КР имеются в открытой базе данных MeCasDa. Однако работы по
определению коэффициентов уширения и сдвига из КР отсутствуют, как и какие-либо данные по уширению в базах данных. Таким образом, целью данной работы является исследование влияние гелия на спектр метана при вариации давления и концентрации. В соответствии с данной целью ставятся следующие задачи: зарегистрировать спектры КР диады и пентады метана в среде гелия при вариации давления и концентрации, определить коэффициенты уширения и сдвига колебательно-вращательных линий метана полос v2, v3 давлением метана и гелия, установить зависимость положения и полуширины контура Q- ветви полосы vi метана в среде гелия при вариации давления и концентрации.
В ходе данной работы с целью исследования влияния гелия на спектр КР метана были выполнены следующие задачи:
1) определены коэффициенты уширения давлением CH4-CH4 и CH4-He для колебательно-вращательных линий полос v2, v3 в зависимости от вращательного квантового числа J;
2) получены коэффициенты сдвига давлением CH4-CH4 и CH4- He для линий полос v2, v3;
3) найдена зависимость положений и полуширины для Q-ветви полосы v1 метана от давления и концентрации гелия.
Полученные данные позволяют моделировать спектр метана при давлениях до 50 атм, а также учесть влияние гелия на форму спектральных линий метана. Это позволяет улучшить точность определения концентрации компонентов природного газа. Высокую значимость имеет найденная зависимость положения и полуширины контура Q-ветви полосы v1 от давления и концентрации, что позволило бы в дальнейшем определять концентрацию гелия в составе природного газа, зная только давление и полуширину или положение Q-ветви v1.
Результаты, полученные в рамках данной работы по Q-ветви полосы v1, опубликованы в журнале «Оптика атмосферы и океана»:
Таничев А. С., Петров Д. В., Матросов И. И., Шарыбкина К. К. Влияние гелия на спектр комбинационного рассеяния метана в диапазоне 2500-3300 см-1. // Оптика
атмосферы и океана. 2021. Т. 34. № 05. С. 329-333. DOI: 10.15372/А0020210503
