priborИзвестия высших учебных заведений. ПриборостроениеJournal of Instrument Engineering0021-34542500-0381Национальный исследовательский университет ИТМО10.17586/0021-3454-2024-67-2-171-177pribor-20Research ArticleОПТИЧЕСКИЕ И ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И КОМПЛЕКСЫOPTICAL AND OPTOELECTRONIC DEVICES AND COMPLEXESВлияние давления на результаты измерения объемных долей газовых компонентов методом спектроскопии комбинационного рассеянияInfluence of pressure on the results of measuring the volume fractions of gas components using Raman spectroscopyПоповЕ. Э.PopovE. E.

Евгений Эдуардович Попов – руководитель группы НТР

Санкт-Петербург

Evgeniy E. Popov – Head of Scientific and Technical Development Group

St. Petersburg

eepopov@itmo.ruВиткинВ. В.VitkinV. V.

Владимир Владимирович Виткин – канд. физ.-мат. наук; руководитель лаборатории ЛООКС

Санкт-Петербург

Vladimir V. Vitkin – PhD; Head of Laboratory of Optoelectronic Support for Cyber-Physical Systems

St. Petersburg

vitkin@itmo.ruУниверситет ИТМОITMO University202424112024672171177Copyright © Национальный исследовательский университет ИТМО, 20242024Национальный исследовательский университет ИТМОНациональный исследовательский университет ИТМОhttps://pribor.ifmo.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://pribor.ifmo.ru/jour/article/view/20

Рассмотрено влияние давления на результаты измерения объемных долей газовых компонентов методом спектроскопии комбинационного рассеяния. Выявлен нелинейный характер влияния давления на световой поток в спектральном диапазоне от 1380 до 1399 см–1 для изотополога диоксида углерода 12СО2 и в спектральном диапазоне от 1361 до 1379 см–1 – для изотополога диоксида углерода 13СО2. Измерены спектры комбинационного рассеяния газовых смесей известного изотопного состава при различном давлении. Нелинейным методом наименьших квадратов найдены функция отклонения интегрального светового потока от линейной зависимости и ее коэффициенты. Эту функцию предложено использовать для вычисления поправочных коэффициентов в калибровочных функциях. Калибровочные функции связали регистрируемый приемником излучения световой поток с объемной долей молекул исследуемого вещества. Применение поправочных коэффициентов позволило повысить точность измерения объемной доли исследуемых газовых компонентов.

The influence of pressure on the results of measuring the volume fractions of gas components using Raman spectroscopy is considered. The nonlinear nature of the influence of pressure on the light flux is revealed in the spectral range from 1380 to 1399 cm–1 for the isotopologue of carbon dioxide 12СО2 and in the spectral range from 1361 to 1379 cm–1 for the isotopologue of carbon dioxide 13СО2. The Raman spectra of gas mixtures of known isotopic composition are measured at different pressures. The function of deviation of the integral light flux from the linear dependence and its coefficients are found using the nonlinear least squares method. It is proposed to use this function to calculate correction factors in calibration functions. Calibration functions relate the light flux recorded by the radiation receiver to the volume fraction of molecules of the substance under study. The use of correction factors enables to increase the accuracy of measuring the volume fraction of the gas components under study.

комбинационное рассеяния светавлияние давления на спектр комбинационного рассеянияизмерение объемной долидиоксид углеродаRaman scatteringinfluence of pressure on the Raman spectrumvolume fraction measurementcarbon dioxideРабота поддержана грантом Министерства науки и высшего образования № 075-15-2021-1349.This work was supported by a grant from the Ministry of Science and Higher Education № 075-15-2021-1349.ReferencesПетров Д. В., Матросов И. И. Влияние неидеальности газов на интенсивности спектров комбинационного рассеяния // Изв. вузов. Физика. 2017. Т. 60, № 12/2. С. 194—197.Petrov D.V., Matrosov I.I. Russian Physics Journal, 2017, no. 12/2(60), pp. 194–197. (in Russ.)Jammu K. S., John G. E. S., & Welsh H. L. Pressure broadening of the rotational Raman lines of some simple gases // Canadian Journal of Physic. 1966. Vol. 44, N 4. P. 797—814.Jammu K.S., John G.E.S., & Welsh H.L. Canadian Journal of Physic, 1966, no. 4(44), pp. 797–814.Welsh H. L., Crawford M. F., Thomas T. R., Love G. R. Raman spectroscopy of low pressure gases and vapors // Canadian Journal of Physics. 1952. Vol. 30, N 5. P. 577—596.Welsh H.L., Crawford M.F., Thomas T.R., Love G.R. Canadian Journal of Physics, 1952, no. 5(30), pp. 577–596.Tanichev A. S., Petrov D. V. Pressure broadening in Raman spectra of CH4–N2, CH4–CO2, and CH4–C2H6 gas mixtures // Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy. 2023. Vol. 291. P. 122396.Tanichev A.S., Petrov D.V. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 2023, vol. 291, рр. 122396.Petrov D. V., Matrosov I. I. Pressure dependence of the Raman signal intensity in high-pressure gases // Journal of Raman Spectroscopy 2017. Vol. 48, N 3. P. 474—478.Petrov D.V., Matrosov I.I. Journal of Raman Spectroscopy, 2017, no. 3(48), pp. 474–478.Petrov D. V., Matrosov I. I., Zaripov A. R., Maznoy A. S. Effects of pressure and composition on Raman spectra of CO-H2-CO2-CH4 mixtures // Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy. 2019. Vol. 215. P. 363—370.Petrov D.V., Matrosov I.I., Zaripov A.R., Maznoy A.S. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 2019, vol. 215, рр. 363–370.Petrov D. V. Pressure dependence of peak positions, half widths, and peak intensities of methane Raman bands (ν2, 2ν4, ν1, ν3, and 2ν2) // Journal of Raman Spectroscopy. 2017. Vol. 48, N 11. P. 1426—1430.Petrov D.V. Journal of Raman Spectroscopy, 2017, no. 11(48), pp. 1426–1430.Kuczyński S., Włodek T., Smulski R., Dąbrowski K., Krakowiak M., Barbacki J., Pawłowski M. Application of Raman spectroscopy analysis in unconventional natural gas reservoirs–density and pressure dependence on Raman signal intensity // AGH Drilling, Oil, Gas. 2017. Vol. 34, N 3. P. 761—774.Kuczyński S., Włodek T., Smulski R., Dąbrowski K., Krakowiak M., Barbacki J., Pawłowski M. AGH Drilling, Oil, Gas, 2017, no. 3(34), pp. 761–774.Weber A. Raman spectroscopy of gases and liquids. NY: Springer Science & Business Media, 2012.Weber A. Raman spectroscopy of gases and liquids, NY, Springer Science & Business Media, 2012.Mikhailov G. V. The influence of temperature and pressure on the Raman spectrum of nitrogen // Soviet Physics JETP. 1959. Vol. 36, N 9. P. 974—978.Mikhailov G.V. Soviet Physics JETP, 1959, no. 9(36), pp. 974–978.Haller T. W., Varghese P. L. Measurements of pressure broadening of N2 in the anisotropic tensor component of spontaneous Raman spectra // Combustion and Flame. 2021. Vol. 224. P. 166—176.Haller T.W., Varghese P.L. Combustion and Flame, 2021, vol. 224, рр. 166–176.Popov E., Polishchuk A., Kovalev A., Vitkin V. Raman Spectroscopy for Urea Breath Test // Biosensors. 2023. Vol. 13, N 6. P. 609.Popov E., Polishchuk A., Kovalev A., Vitkin V. Biosensors, 2023, no. 6(13), pp. 609.McCreery R. L. Raman spectroscopy for chemical analysis. Toronto: John Wiley & Sons Inc., 2000.McCreery R.L. Raman spectroscopy for chemical analysis, Toronto,John Wiley & Sons, Inc., 2000.NIST Chemistry WebBook, NIST Standard Reference Database. N 69 / Ed. by P. J. Linstrom, W. G. Mallard. National Institute of Standards and Technology Gaithersburg, 2023.Linstrom P.J., Mallard W.G., eds., NIST Chemistry WebBook, NIST Standard Reference Database N 69, National Institute of Standards and Technology Gaithersburg, 2023.Perry S., Sharko P. T., Jonas J. Technique for Measuring the Amount of Pressure-Induced Polarization Scrambling by Optical Windows in High Pressure Light Scattering Cells // Appl. Spectrosc. 1983. Vol. 37. P. 340—342.Perry S., Sharko P.T., Jonas J. Appl. Spectrosc., 1983, vol. 37, рр. 340–342.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.