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ITRM20090617A1 - METHOD AND APPARATUS FOR MEASUREMENTS OF ISOTROPIC LUMINOUS RADIATION OBTAINED FROM LASER SPECTROSCOPY TECHNIQUES, IN PARTICULAR FOR SUBMICRONIC PARTICULATE MEASURES. - Google Patents

METHOD AND APPARATUS FOR MEASUREMENTS OF ISOTROPIC LUMINOUS RADIATION OBTAINED FROM LASER SPECTROSCOPY TECHNIQUES, IN PARTICULAR FOR SUBMICRONIC PARTICULATE MEASURES. Download PDF

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Publication number
ITRM20090617A1
ITRM20090617A1 IT000617A ITRM20090617A ITRM20090617A1 IT RM20090617 A1 ITRM20090617 A1 IT RM20090617A1 IT 000617 A IT000617 A IT 000617A IT RM20090617 A ITRM20090617 A IT RM20090617A IT RM20090617 A1 ITRM20090617 A1 IT RM20090617A1
Authority
IT
Italy
Prior art keywords
integrating sphere
measurement
calibration
laser
light
Prior art date
Application number
IT000617A
Other languages
Italian (it)
Inventor
Francesco Cignoli
Giorgio Zizak
Original Assignee
Consiglio Nazionale Ricerche
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Consiglio Nazionale Ricerche filed Critical Consiglio Nazionale Ricerche
Priority to IT000617A priority Critical patent/ITRM20090617A1/en
Priority to PCT/IT2010/000462 priority patent/WO2011064806A2/en
Publication of ITRM20090617A1 publication Critical patent/ITRM20090617A1/en

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Description

Metodo ed apparato per misure di radiazione luminosa isotropica ottenuta da tecniche di spettroscopia laser, in particolare per misure di particolato submicronico Method and apparatus for measurements of isotropic light radiation obtained by laser spectroscopy techniques, in particular for submicronic particulate measurements

La presente invenzione riguarda un metodo ed apparato per misure di radiazione luminosa isotropica ottenuta impiegando tecniche di spettroscopia laser, in particolare per misure di particolato submicronico. The present invention relates to a method and apparatus for measurements of isotropic light radiation obtained by using laser spectroscopy techniques, in particular for measurements of submicronic particles.

Più precisamente, la presente invenzione riguarda un metodo ed una apparecchiatura per misure di concentrazione del particolato ultrafine (submicronico, PM1), utilizzante la tecnica dell’incandescenza indotta da laser e una sfera integratrice per incrementare la sensibilità. Tale metodo può essere ad esempio impiegato per la misura del particolato carbonioso in sistemi di combustione e per il monitoraggio ambientale. L’apparecchiatura sviluppata può consentire anche la misura delle dimensioni delle particelle, facendo riferimento a modelli matematici già sviluppati tra la comunità scientifica. La presente invenzione è il risultato del lavoro e delle sperimentazioni di una ricerca finanziata dal Dipartimento Energia e Trasporti del CNR nell’ambito del Progetto “Carbone Pulito” del Ministero per lo Sviluppo Economico. More precisely, the present invention relates to a method and an apparatus for measurements of ultrafine particulate concentration (submicronic, PM1), using the laser-induced incandescence technique and an integrating sphere to increase sensitivity. This method can be used for example for the measurement of carbonaceous particulate in combustion systems and for environmental monitoring. The developed equipment can also allow the measurement of particle sizes, referring to mathematical models already developed among the scientific community. This invention is the result of the work and experiments of research funded by the Energy and Transport Department of the CNR as part of the "Clean Coal" project of the Ministry for Economic Development.

La presenza di particolato nell’ambiente suscita grande preoccupazione nella popolazione delle grandi città e nelle amministrazioni pubbliche per i numerosi risvolti legati alla qualità dell’aria e alla salute dei cittadini. La nocività delle polveri dipende dalle loro dimensioni, oltre che dalla loro composizione chimica. The presence of particulate matter in the environment raises great concern in the population of large cities and public administrations due to the numerous implications related to air quality and the health of citizens. The harmfulness of powders depends on their size, as well as on their chemical composition.

Con la sigla PM10si identificano le polveri sottili presenti nell’atmosfera in forma di particelle microscopiche il cui diametro è uguale o inferiore a 10 µm (10 millesimi di millimetro). Tali polveri entrano nella cavità orale e nasale. Le polveri più sottili (PM2,5) penetrano nei bronchi mentre le polveri ultrafini (PM1) arrivano agli alveoli polmonari. Varie sono le sorgenti delle polveri sottili e possono essere sia naturali, come l’erosione del suolo, gli incendi boschivi, la dispersione dei pollini e il sale marino, sia legate alle attività dell’uomo come i vari processi di combustione nei motori, negli impianti di riscaldamento, nelle attività industriali e nelle centrali termoelettriche. Nelle aree urbane il traffico veicolare incide per circa il 30% sulla produzione di PM10. The initials PM10 identify the fine dust present in the atmosphere in the form of microscopic particles whose diameter is equal to or less than 10 µm (10 thousandths of a millimeter). Such powders enter the oral and nasal cavity. The finer powders (PM2.5) penetrate the bronchi while the ultrafine powders (PM1) reach the pulmonary alveoli. There are various sources of fine dust and can be both natural, such as soil erosion, forest fires, the dispersion of pollen and sea salt, and related to human activities such as the various combustion processes in engines, heating systems, in industrial activities and in thermoelectric power plants. In urban areas, vehicular traffic accounts for about 30% of PM10 production.

La normativa per il controllo della qualità dell’aria e delle emissioni si basa essenzialmente sull’utilizzo di un metodo di riferimento di tipo gravimetrico. In Italia i valori limite definiti dal decreto legge nr. 60 del 2 aprile 2002 fissano due limiti accettabili per i PM10in atmosfera. Il primo limite è di 50 µg/m<3>come valore medio misurato nell’arco di 24 ore da non superare più di 35 volte l’anno, il secondo è di 40 µg/m<3>come media annuale. Il metodo gravimetrico d’altro canto non è in grado di determinare le dimensioni delle particelle che invece è un parametro importante per valutare la pericolosità delle polveri. Inoltre è di limitata accuratezza specialmente se utilizzato per misurare le polveri emesse da veicoli a basse emissioni. The legislation for the control of air quality and emissions is essentially based on the use of a gravimetric reference method. In Italy, the limit values defined by law decree no. 60 of 2 April 2002 set two acceptable limits for PM10 in the atmosphere. The first limit is 50 µg / m <3> as an average value measured over 24 hours not to be exceeded more than 35 times a year, the second is 40 µg / m <3> as an annual average. The gravimetric method on the other hand is not able to determine the size of the particles which is instead an important parameter for assessing the danger of dust. It is also of limited accuracy especially when used to measure the dust emitted by low-emission vehicles.

Esiste un grande interesse per lo sviluppo di metodi in grado di misurare la concentrazione delle particelle e il loro diametro medio con accuratezza ed alta risoluzione spaziale e temporale. There is great interest in the development of methods capable of measuring the concentration of particles and their average diameter with accuracy and high spatial and temporal resolution.

Sono note diverse tecniche e strumentazioni commerciali in grado di soddisfare varie esigenze di sensibilità e campo di dimensioni delle particelle. In particolare sono state sviluppate le tecniche MOUDI (“Micro-Orifice Uniform Deposit Impactor”) ed ELPI (“Electrical Low Pressure Impactor”) che forniscono le dimensioni delle particelle come un diametro aerodinamico; poi esistono gli strumenti basati sulla misura della mobilità elettrica come il DMPS (“Differential Mobility Particle Sizer”), SMPS (“Scanning Mobility Particle Sizer”) e il nano-DMA (“Nano-Differential Mobility Analyzer”) che danno la misura del diametro equivalente di mobilità elettrica. Various techniques and commercial instrumentations are known which are capable of satisfying various requirements of sensitivity and particle size range. In particular, the MOUDI (“Micro-Orifice Uniform Deposit Impactor”) and ELPI (“Electrical Low Pressure Impactor”) techniques have been developed which provide the particle size as an aerodynamic diameter; then there are tools based on the measurement of electric mobility such as the DMPS ("Differential Mobility Particle Sizer"), SMPS ("Scanning Mobility Particle Sizer") and the nano-DMA ("Nano-Differential Mobility Analyzer") which measure the equivalent diameter of electric mobility.

Tali strumentazioni non sono in grado di distinguere particelle di diversa natura e, nel caso di aggregati di particelle submicroniche, forniscono solo la misura di un diametro equivalente piuttosto che il valore del diametro delle particelle primarie che compongo gli aggregati. These instruments are not able to distinguish particles of different nature and, in the case of aggregates of submicronic particles, they only provide the measurement of an equivalent diameter rather than the value of the diameter of the primary particles that make up the aggregates.

Recentemente, con lo sviluppo della tecnica LII (“Laser-Induced Incandescence”), la misura della concentrazione delle particelle carboniose nanometriche ha avuto un grande impulso per gli studi sui meccanismi di formazione della fuliggine. Questa tecnica, che si basa sull’impiego di luce laser, è in grado di fornire informazioni sulla concentrazione delle particelle carboniose e sulle dimensioni delle particelle primarie con eccellenti capacità di risoluzione spaziale e temporale. Recently, with the development of the LII technique (“Laser-Induced Incandescence”), the measurement of the concentration of nanometric carbonaceous particles has had a great impetus for studies on the mechanisms of soot formation. This technique, which is based on the use of laser light, is able to provide information on the concentration of carbonaceous particles and on the size of primary particles with excellent spatial and temporal resolution capabilities.

L’incandescenza indotta da laser (LII) è una tecnica sperimentale principalmente usata nei laboratori per studiare le fiamme, i processi di combustione e lo scarico da vari sistemi di combustione. La tecnica consiste nell’irraggiare le particelle di fuliggine (“soot”) con una intensa radiazione laser pulsata, in grado da essere assorbita dalle particelle e quindi provocarne un forte riscaldamento. Ogni particella si comporta quasi come un corpo nero e, secondo il principio di Planck, emette una radiazione il cui spettro dipende dalla temperatura raggiunta dalla particella stessa. Poiché la temperatura delle particelle di fuliggine può raggiungere facilmente i 4000 K (che è la temperatura di sublimazione del carbonio), il segnale LII può essere facilmente isolato dalla radiazione dell’ambiente circostante. Con semplici arrangiamenti ottici si ottengono misure con una grande risoluzione spaziale e temporale. Secondo i principi della LII, l’intensità della radiazione emessa è proporzionale alla concentrazione volumetrica (o frazione in volume) delle particelle mentre il profilo del decadimento è legato alle dimensioni delle particelle primarie. Laser-induced incandescence (LII) is an experimental technique mainly used in laboratories to study flames, combustion processes and the exhaust from various combustion systems. The technique consists in irradiating the soot particles ("soot") with an intense pulsed laser radiation, capable of being absorbed by the particles and therefore causing a strong heating. Each particle behaves almost like a black body and, according to Planck's principle, emits a radiation whose spectrum depends on the temperature reached by the particle itself. Since the temperature of the soot particles can easily reach 4000 K (which is the sublimation temperature of carbon), the LII signal can be easily isolated from the radiation of the surrounding environment. With simple optical arrangements, measurements with great spatial and temporal resolution are obtained. According to the principles of LII, the intensity of the emitted radiation is proportional to the volumetric concentration (or volume fraction) of the particles while the decay profile is related to the size of the primary particles.

I fenomeni che entrano in gioco in tale tecnica sono però complessi ed avvengono sulla scala dei nanosecondi. Essi riguardano principalmente l’assorbimento della radiazione laser e il riscaldamento delle particelle, lo scambio termico con i gas circostanti, l’emissione luminosa e vari fenomeni di sublimazione alle temperature più alte. La tecnica LII è nota da tempo, tuttavia alcune difficoltà sperimentali e la non ancora completa comprensione dei fenomeni fisici che la governano hanno relegato la tecnica principalmente ai laboratori di ricerca. Ad oggi non più di 2-3 realizzazioni commerciali sono presenti nel mercato. The phenomena that come into play in this technique are however complex and occur on the nanosecond scale. They mainly concern the absorption of laser radiation and the heating of the particles, the heat exchange with the surrounding gases, the light emission and various sublimation phenomena at higher temperatures. The LII technique has been known for some time, however some experimental difficulties and the not yet complete understanding of the physical phenomena that govern it have relegated the technique mainly to research laboratories. To date, no more than 2-3 commercial realizations are present on the market.

In particolare si trova il LI<2>SA (“Laser-Induced Incandescence Soot Analyzer”) prodotto dalla Esytec (www.esytec.de) di Erlangen che è uno spin-off del Dipartimento di Termodinamica dell’Università di Erlangen. Esso si basa su diversi brevetti aventi come inventori Leipertz et al. (WO9730335, US6496258 e US2006256330), in cui si propone di misurare la radiazione termica in due punti diversi della curva di decadimento per determinare il diametro delle particelle primarie. In particular, there is the LI <2> SA ("Laser-Induced Incandescence Soot Analyzer") produced by Esytec (www.esytec.de) of Erlangen which is a spin-off of the Department of Thermodynamics of the University of Erlangen. It is based on several patents having Leipertz et al. (WO9730335, US6496258 and US2006256330), in which it is proposed to measure the thermal radiation at two different points of the decay curve to determine the diameter of the primary particles.

L’apparato sperimentale può essere utilizzato per nero di carbonio o “carbon black” e particelle di ossidi metallici. Può anche venir implementato con altre tecniche, quali il light scattering, ed utilizzato in un sistema modulare anche per l’analisi dello scarico di motori. The experimental setup can be used for carbon black or "carbon black" and metal oxide particles. It can also be implemented with other techniques, such as light scattering, and used in a modular system also for the analysis of engine exhaust.

Una difficoltà inerente alla tecnica utilizzata risiede nel fatto che la misura fa affidamento a modelli matematici che descrivono il decadimento della temperatura e quindi del segnale LII. Tali modelli non sono ancora del tutto affidabili. Inoltre, dato l’arrangiamento ottico utilizzato, i segnali sono piuttosto deboli e rumorosi. La fluenza laser (densità spaziale d’energia) deve essere quanto più possibile uniforme per permettere un’uniforme distribuzione di temperatura delle particelle irraggiate nel volume di misura e quindi una corretta determinazione della temperatura. A difficulty inherent in the technique used lies in the fact that the measurement relies on mathematical models that describe the decay of the temperature and therefore of the LII signal. Such models are still not entirely reliable. Furthermore, given the optical arrangement used, the signals are rather weak and noisy. The laser fluence (spatial energy density) must be as uniform as possible to allow a uniform temperature distribution of the irradiated particles in the measurement volume and therefore a correct determination of the temperature.

Un’altra realizzazione commerciale è il LII200 della Artium (www.artium.com) di Sunnyvale, California. Tale ditta ha acquisito i brevetti del National Research Council del Canada aventi come inventori Snelling et al. (CA2272758, US6154277, US6181419, US6809820). In tali brevetti si propone di misurare il valore assoluto dell’intensità del segnale LII che può essere direttamente correlato alla concentrazione delle particelle nel caso si voglia conoscere la temperatura delle particelle stesse. La temperatura può essere determinata con un modello matematico o con altri mezzi sperimentali, in particolare la tecnica di pirometria a due colori. Si evidenzia anche la necessità di utilizzare un profilo spaziale del laser quanto più possibile uniforme ottenuto con uno speciale arrangiamento ottico. In particolare, nel brevetto US6809820 l’accuratezza delle misure viene migliorata grazie al fatto di utilizzare un laser non alla massima fluenza in modo da limitare l’interferenza del processo di evaporazione e sublimazione delle particelle sul decadimento del segnale LII. Il modello matematico che descrive il fenomeno LII fa parte integrante dei brevetti. Another commercial release is Artium's LII200 (www.artium.com) of Sunnyvale, California. This firm has acquired the patents of the National Research Council of Canada having as inventors Snelling et al. (CA2272758, US6154277, US6181419, US6809820). In these patents it is proposed to measure the absolute value of the intensity of the LII signal which can be directly related to the concentration of the particles in case you want to know the temperature of the particles themselves. The temperature can be determined with a mathematical model or with other experimental means, in particular the two-color pyrometry technique. There is also the need to use a spatial profile of the laser as uniform as possible obtained with a special optical arrangement. In particular, in the US6809820 patent the accuracy of the measurements is improved thanks to the use of a laser not at maximum fluence in order to limit the interference of the evaporation and sublimation process of the particles on the decay of the LII signal. The mathematical model that describes the LII phenomenon is an integral part of the patents.

Anche tale arrangiamento si basa su una serie di assunzioni teoriche e necessita di arrangiamenti ottici particolari e complessi. Di conseguenza, tale tecnica risulta non sufficientemente affidabile e ancora troppo costosa. This arrangement is also based on a series of theoretical assumptions and requires particular and complex optical arrangements. Consequently, this technique is not sufficiently reliable and still too expensive.

Fin qui si sono illustrati svantaggi delle tecniche tradizionali per alcune specifiche misure di interesse. Disadvantages of traditional techniques for some specific measures of interest have been illustrated so far.

Il problema può però essere posto in modo più generale. However, the problem can be posed in a more general way.

Infatti, in varie tecniche di spettroscopia laser, come ad esempio la fluorescenza indotta da laser (LIF) e la LII, si presenta il fenomeno della “saturazione” in cui il segnale luminoso da misurare non aumenta ulteriormente oltre un certo livello di potenza laser applicata. Ad esempio, è ben noto nella comunità scientifica che il valore di fluenza laser per cui si ottiene la saturazione del segnale LII è di circa 250 mJ/cm<2>per un irraggiamento laser alla lunghezza d’onda di 1064 nm, corrispondente all’emissione fondamentale di un laser Nd:YAG. In fact, in various laser spectroscopy techniques, such as laser induced fluorescence (LIF) and LII, the phenomenon of "saturation" occurs in which the light signal to be measured does not further increase beyond a certain level of applied laser power. . For example, it is well known in the scientific community that the laser fluence value for which the saturation of the LII signal is obtained is about 250 mJ / cm <2> for a laser irradiation at the wavelength of 1064 nm, corresponding to the fundamental emission of a Nd: YAG laser.

Si pone quindi il problema generale di aumentare la sensibilità delle tecniche di spettroscopia laser, in modo da poter ad esempio misurare concentrazioni molto basse di particolato o microinquinanti come richiesto per il monitoraggio ambientale. The general problem therefore arises of increasing the sensitivity of laser spectroscopy techniques, so as to be able, for example, to measure very low concentrations of particulates or micropollutants as required for environmental monitoring.

A tal fine, nella tecnica anteriore sono proposti sistemi che utilizzano arrangiamenti ottici particolari, non sufficientemente adattabili e comunque ingombranti. For this purpose, in the prior art systems are proposed which use particular optical arrangements, which are not sufficiently adaptable and in any case bulky.

Scopo della presente invenzione è quello di fornire un metodo per effettuare una misurazione di spettroscopia laser ad alta sensibilità, ad esempio per la misura del particolato submicronico, in particolare carbonioso, utilizzando l’incandescenza indotta da laser, che risolva i problemi e superi gli inconvenienti della tecnica anteriore. The purpose of the present invention is to provide a method for carrying out a high-sensitivity laser spectroscopy measurement, for example for the measurement of submicronic particulate, in particular carbonaceous, using laser-induced incandescence, which solves the problems and overcomes the drawbacks. of the prior art.

E’ ulteriore scopo specifico della presente invenzione un apparato per la misura ad alta sensibilità tramite spettroscopia laser, ad esempio del particolato submicronico, in particolare carbonioso, che risolva i problemi e superi gli inconvenienti della tecnica anteriore. A further specific object of the present invention is an apparatus for the high sensitivity measurement by laser spectroscopy, for example of submicronic particulate, in particular carbonaceous, which solves the problems and overcomes the drawbacks of the prior art.

E’ oggetto della presente invenzione un apparato per la misurazione di radiazione isotropica da gas attraverso spettroscopia laser, comprendente: The subject of the present invention is an apparatus for measuring isotropic radiation from gases through laser spectroscopy, comprising:

- mezzi di adduzione di gas in - means of gas supply in

- almeno una camera di misura; - at least one measuring chamber;

- mezzi di evacuazione del gas dalla cella di misura; - almeno una sorgente laser che genera un fascio laser che passa attraverso detta camera di misura; e caratterizzato dal fatto di comprendere ulteriormente: - means for evacuating the gas from the measuring cell; - at least one laser source which generates a laser beam which passes through said measurement chamber; and characterized by the fact of further understanding:

- una sfera integratrice attraverso cui è fatta passare detta camera di misura; - an integrating sphere through which said measuring chamber is made to pass;

- una fibra ottica connessa da un lato ad un’apertura di detta sfera integratrice per raccogliere un segnale luminoso di misura, e dall’altro ad - an optical fiber connected on one side to an opening of said integrating sphere to collect a light measurement signal, and on the other to

- un sistema di analisi del segnale luminoso di misura. - a measurement light signal analysis system.

Preferibilmente secondo l’invenzione, detti mezzi di adduzione di gas comprendono una sonda di prelievo ed un condotto. Preferably according to the invention, said gas supply means comprise a sampling probe and a duct.

Preferibilmente secondo l’invenzione, detto sistema di analisi del segnale luminoso di misura comprende: Preferably according to the invention, said measurement light signal analysis system comprises:

- mezzi per la separazione dello stesso segnale in due fasci ottici appartenenti a due opportune bande spettrali, nonché - means for the separation of the same signal into two optical beams belonging to two suitable spectral bands, as well as

- mezzi di rivelazione di detti due fasci ottici, per implementare la tecnica di misura ad incandescenza a due colori. - means for detecting said two optical beams, to implement the two-color incandescent measurement technique.

Preferibilmente secondo l’invenzione, detta camera di misura è costituita da un tubicino trasparente in pirex o quarzo, passante diametralmente attraverso la sfera integratrice. Preferably according to the invention, said measurement chamber consists of a transparent pyrex or quartz tube, passing diametrically through the integrating sphere.

Preferibilmente secondo l’invenzione, per misure di fluorescenza indotta da laser, con particolare riguardo alla determinazione di sostanze soggette a fluorescenza a larga banda come gli idrocarburi policiclici aromatici, detto sistema (50, 60, 70) di analisi del segnale luminoso di misura comprende uno spettrografo con rivelatore intensificato a CCD. Preferably according to the invention, for laser-induced fluorescence measurements, with particular regard to the determination of substances subject to broadband fluorescence such as polycyclic aromatic hydrocarbons, said system (50, 60, 70) for analyzing the measurement light signal comprises a spectrograph with intensified CCD detector.

Preferibilmente secondo l’invenzione, l’apparato è atto alla misurazione di radiazione isotropica da gas attraverso spettroscopia su breakdown indotto da laser, nell’apparato, prima dell’ingresso della camera di misura essendo posta una opportuna lente che permette la focalizzazione del fascio al centro della sfera integratrice. Preferably according to the invention, the apparatus is suitable for the measurement of isotropic radiation from gas by means of spectroscopy on a breakdown induced by a laser, in the apparatus, before the entrance to the measurement chamber, a suitable lens being placed which allows the focusing of the beam to the center of the integrating sphere.

E’ oggetto della presente invenzione un metodo di misura di radiazione luminosa isotropica ottenuta attraverso spettroscopia laser, caratterizzato dal fatto di eseguire le seguenti fasi: The object of the present invention is a method of measuring isotropic light radiation obtained through laser spectroscopy, characterized by the fact of carrying out the following steps:

A. inviare un gas da analizzare in una camera di misura; A. send a gas to be analyzed in a measuring chamber;

B. inviare un fascio laser in detta camera di misura; B. sending a laser beam into said measuring chamber;

C. raccogliere la luce diffusa da detto gas colpito da detto fascio laser, tramite una sfera integratrice; C. collecting the light scattered by said gas hit by said laser beam, by means of an integrating sphere;

D. trasformare il segnale luminoso di misura integrato da detta sfera integratrice in un segnale elettrico tramite opportuni fotorivelatori; D. transforming the light measurement signal integrated by said integrating sphere into an electrical signal by means of suitable photodetectors;

E. analizzare detto segnale elettrico per ottenere la misura ricercata. E. analyze said electrical signal to obtain the desired measurement.

Preferibilmente secondo l’invenzione, la fase E implementa la tecnica di misura ad incandescenza a due colori. Preferably according to the invention, phase E implements the two-color incandescent measurement technique.

Preferibilmente secondo l’invenzione, prima della fase A viene eseguita una fase di calibrazione A0, in cui vengono eseguite le seguenti fasi: Preferably according to the invention, before phase A a calibration phase A0 is performed, in which the following phases are performed:

A0_1. posizionare una lampada calibrata di irradianza spettrale ad una distanza di calibrazione da una apposita porta di calibrazione della sfera integratrice, la quale può assumere una configurazione aperta ed una configurazione chiusa, in modo tale che la luce della lampada di calibrazione illumini l’interno della sfera integratrice quando la porta di calibrazione è aperta; A0_1. place a calibrated spectral irradiance lamp at a calibration distance from a special calibration port of the integrating sphere, which can assume an open configuration and a closed configuration, so that the light of the calibration lamp illuminates the inside of the sphere integrator when the calibration door is open;

A0_2. misurare la potenza del segnale in uscita dalla sfera integratrice tramite la disposizione della fase A0_1; A0_2. measuring the power of the output signal from the integrating sphere through the arrangement of phase A0_1;

A0_3. Calcolare la costante di calibrazione A0_3. Calculate the calibration constant

dove λ è la lunghezza d’onda del segnale uscente da un fotorilevatore, Vcal(λ) è il segnale misurato sullo stesso fotorilevatore, S è la sezione della porta di calibrazione della sfera integratrice, Rcal(λ) l’irradianza della lampada di calibrazione alla distanza di calibrazione. where λ is the wavelength of the signal outgoing from a photodetector, Vcal (λ) is the signal measured on the same photodetector, S is the section of the calibration gate of the integrating sphere, Rcal (λ) the irradiance of the calibration lamp to the calibration distance.

A0_4. misurare la potenza del segnale in uscita dalla sfera integratrice con la disposizione della fase A0_1 in cui però la porta di calibrazione è chiusa; A0_4. measuring the power of the output signal from the integrating sphere with the arrangement of phase A0_1 in which, however, the calibration gate is closed;

A0_5. Calcolare la costante di calibrazione corretta: A0_5. Calculate the correct calibration constant:

dove LII è il valore della misura con porta di calibrazione aperta e LIIaè il valore della misura con porta di calibrazione chiusa. where LII is the measurement value with the calibration door open and LIIa is the measurement value with the calibration door closed.

Preferibilmente secondo l’invenzione, nella fase E si tiene conto del decadimento temporale del segnale luminoso della sfera integratrice (42), che ha un andamento di tipo e<-t/τ>, dove: Preferably according to the invention, in phase E the temporal decay of the light signal of the integrating sphere (42) is taken into account, which has an e <-t / τ> type trend, where:

dove Dsè il diametro della sfera integratrice (42), c è la velocità della luce e ρ è la riflettività media delle pareti della sfera integratrice. where Ds is the diameter of the integrating sphere (42), c is the speed of light and ρ is the average reflectivity of the walls of the integrating sphere.

Preferibilmente secondo l’invenzione, nella fase D si tiene conto anche della costante di tempo dei fotorivelatori, la risposta temporale dell’intero sistema comprendente la sfera integratrice e i fotorivelatori essendo data dalla convoluzione delle risposte temporali della sfera integratrice e dei fotorivelatori. Preferably according to the invention, in phase D the time constant of the photodetectors is also taken into account, the time response of the entire system including the integrating sphere and the photodetectors being given by the convolution of the temporal responses of the integrating sphere and the photodetectors.

L’invenzione verrà ora descritta a titolo illustrativo ma non limitativo, con particolare riferimento ai disegni delle figure allegate, in cui: - la figura 1 mostra uno schema dell’apparato di misura secondo l’invenzione; The invention will now be described for illustrative but not limitative purposes, with particular reference to the drawings of the attached figures, in which: - Figure 1 shows a diagram of the measuring apparatus according to the invention;

- la figura 2 mostra in maggiore dettaglio la sfera integratrice come inserita nello schema di figura 1; Figure 2 shows in greater detail the integrating sphere as inserted in the diagram of Figure 1;

- la figura 3 mostra uno schema dell’arrangiamento necessario alla calibrazione dell’apparato. - Figure 3 shows a diagram of the arrangement necessary for the calibration of the apparatus.

Nel seguito, il metodo secondo l’invenzione verrà indicato per brevità con l’acronimo SILIIS (“Sphere-Integrated Laser-Induced Incandescence Spectroscopy”). In the following, the method according to the invention will be indicated for brevity with the acronym SILIIS ("Sphere-Integrated Laser-Induced Incandescence Spectroscopy").

Come precedentemente evidenziato, il segnale derivante da incandescenza indotta da laser o “LII” deriva dall’emissione luminosa di particelle submicroniche precedentemente riscaldate tramite impulso laser. Tali particelle possono raggiungere una temperatura massima, che, nel caso di particelle carboniose di fuliggine, è di circa 4000 K. Riscaldando ulteriormente le particelle con impulsi laser più potenti, la temperatura non aumenta in quanto le particelle sublimano, riducendo la loro massa. È quindi evidente che, data una concentrazione di particelle, il picco del segnale LII raggiunge un massimo e non può ulteriormente crescere esibendo un tipico fenomeno noto con il nome di “saturazione”. As previously highlighted, the signal deriving from laser-induced incandescence or "LII" derives from the light emission of submicronic particles previously heated by laser pulse. Such particles can reach a maximum temperature, which, in the case of carbonaceous soot particles, is about 4000 K. By further heating the particles with more powerful laser pulses, the temperature does not increase as the particles sublimate, reducing their mass. It is therefore evident that, given a concentration of particles, the peak of the LII signal reaches a maximum and cannot grow further, exhibiting a typical phenomenon known as "saturation".

Come precedentemente ricordato il valore di “saturazione” è di circa 250 mJ/cm<2>per irraggiamento laser alla lunghezza d’onda di 1064 nm, corrispondente all’emissione fondamentale di un laser Nd:YAG. As previously mentioned, the "saturation" value is about 250 mJ / cm <2> for laser radiation at a wavelength of 1064 nm, corresponding to the fundamental emission of a Nd: YAG laser.

Quindi, per aumentare la sensibilità delle tecniche di spettroscopia, in modo da poter misurare ad esempio concentrazioni molto basse di particolato o microinquinanti come richiesto per il monitoraggio ambientale, la presente invenzione realizza un aumento del volume di misura e dell’angolo solido di ricezione dei segnali. Therefore, to increase the sensitivity of the spectroscopy techniques, so as to be able to measure for example very low concentrations of particulate matter or micropollutants as required for environmental monitoring, the present invention realizes an increase in the measurement volume and in the solid angle of reception of the signals.

L’apparato secondo l’invenzione è composto essenzialmente da quattro elementi: una sonda di prelievo, una cella di misura con sfera integratrice, un laser ad impulsi (ad esempio Nd:YAG) che produce un fascio laser e un sistema spettroscopico di misura (ad esempio a due colori) accoppiato con fibra ottica alla sfera integratrice. Ognuno di questi elementi ha delle caratteristiche precise per massimizzare il risultato. The apparatus according to the invention is essentially composed of four elements: a sampling probe, a measuring cell with integrating sphere, a pulsed laser (for example Nd: YAG) which produces a laser beam and a spectroscopic measuring system ( for example two-color) coupled with optical fiber to the integrating sphere. Each of these elements has specific characteristics to maximize the result.

Nel caso di misure di particolato nanometrico tramite la tecnica LII, lo schema dell’apparecchiatura 100 secondo l’invenzione può essere realizzato come riportato in figura 1 e mostra i diversi elementi sopra menzionati. In the case of nanometric particulate measurements using the LII technique, the scheme of the equipment 100 according to the invention can be made as shown in Figure 1 and shows the different elements mentioned above.

Anzitutto, è presente una sonda di prelievo 10 dei gas prodotti ad esempio da un processo di combustione 200. L’uso di una sonda di prelievo dei gas contenenti il particolato da analizzare offre numerosi vantaggi. Innanzitutto è possibile effettuare una diluizione controllata per effettuare misure anche in condizioni di alte concentrazioni di particolato dove i fenomeni di assorbimento della luce potrebbero inficiare le misure. In commercio esistono numerose sonde realizzate secondo standard normativi, da utilizzarsi nelle varie condizioni d’impiego dell’apparecchiatura secondo l’invenzione. In particolare, per applicazioni in campo ambientale è possibile inserire filtri per tagliare la frazione di particolato superiore ai PM1, mentre per applicazioni nel campo della combustione si possono usare sonde isocinetiche. First of all, there is a sampling probe 10 of the gases produced for example by a combustion process 200. The use of a sampling probe for the gases containing the particulate to be analyzed offers numerous advantages. First of all, it is possible to carry out a controlled dilution to carry out measurements even in conditions of high concentrations of particulates where the phenomena of light absorption could affect the measurements. On the market there are numerous probes made according to regulatory standards, to be used in the various conditions of use of the equipment according to the invention. In particular, for applications in the environmental field it is possible to insert filters to cut the particulate fraction higher than PM1, while for applications in the combustion field it is possible to use isokinetic probes.

La sonda 10 è collegata ad una sezione di misura 40 tramite un opportuno raccordo 11 ed i gas, dopo aver attraversato la sezione di misura 40, vengono aspirati tramite una pompa 30 con portata regolabile attraverso un condotto 31. Un filtro (non mostrato) prevede l’abbattimento delle particelle prima di attraversare la pompa 30. The probe 10 is connected to a measuring section 40 by means of a suitable fitting 11 and the gases, after having passed through the measuring section 40, are sucked by a pump 30 with adjustable flow rate through a duct 31. A filter (not shown) provides the removal of particles before passing through the pump 30.

Un vantaggio dell’utilizzo della sonda 10 risiede nel fatto che la portata di gas da analizzare può essere sufficientemente piccola in quanto tutto il gas contenente il particolato viene analizzato nella sezione di misura 40. Si ottiene così un apparato di dimensioni ridotte e facilmente trasportabile. An advantage of using the probe 10 lies in the fact that the flow of gas to be analyzed can be sufficiently small as all the gas containing the particulate is analyzed in the measurement section 40. Thus a small and easily transportable apparatus is obtained.

La sezione di misura 40 comprendente una sfera integratrice è riportata in maggiore dettaglio nella figura 2. Essa comprende una camera di misura, ad esempio un semplice tubicino trasparente 41 in pirex o quarzo, passante attraverso una sfera integratrice 42. The measuring section 40 comprising an integrating sphere is shown in greater detail in Figure 2. It comprises a measuring chamber, for example a simple transparent tube 41 made of pyrex or quartz, passing through an integrating sphere 42.

Una sorgente laser 20 produce un fascio laser 21 che eccita le particelle di gas nella camera di misura 41 (tubicino). All’uscita della camera di misura il fascio laser viene intercettato da una cavità di blocco o “beam dump” 22. A laser source 20 produces a laser beam 21 which excites the gas particles in the measuring chamber 41 (small tube). At the exit of the measurement chamber, the laser beam is intercepted by a block cavity or "beam dump" 22.

La sfera integratrice è un componente ottico che consiste principalmente in una cavità, tipicamente sferica, il cui interno è ricoperto da un materiale ad alta riflettività con alcune piccole aperture necessarie per l’ingresso e l’uscita della radiazione luminosa. The integrating sphere is an optical component that consists mainly of a typically spherical cavity, the interior of which is covered with a highly reflective material with some small openings necessary for the entry and exit of light radiation.

La sua proprietà più significativa è la capacità di diffondere la luce, attraverso riflessioni multiple, distribuendola uniformemente in modo da minimizzare gli effetti della direzione iniziale della luce. Una sfera integratrice può essere pensata come un diffusore che mantiene la potenza luminosa ma distrugge l’informazione spaziale. Se la riflettività del rivestimento alle varie lunghezze d’onda è alta e le aperture sono piccole, la sfera integratrice può fornire un’alta efficienza ottica. Its most significant property is the ability to diffuse light, through multiple reflections, distributing it evenly in order to minimize the effects of the initial direction of the light. An integrating sphere can be thought of as a diffuser that maintains the light power but destroys spatial information. If the reflectivity of the coating at various wavelengths is high and the openings are small, the integrating sphere can provide high optical efficiency.

Le sfere integratrici sono normalmente usate per una varietà di misure ottiche, fotometriche e radiometriche come la misura di tutta la luce irradiata da una lampada, la misura della riflettività di superfici, la formazione di una sorgente luminosa di intensità uniforme e la misura della potenza di fasci laser indipendentemente dalla forma e la direzione di incidenza del fascio. Integrating spheres are normally used for a variety of optical, photometric and radiometric measurements such as the measurement of all the light radiated by a lamp, the measurement of surface reflectivity, the formation of a light source of uniform intensity and the measurement of the power of laser beams regardless of the shape and direction of incidence of the beam.

Alcune applicazioni non convenzionali della sfera integratrice sono descritte in alcuni brevetti internazionali. Il brevetto US 4320978 del 1982 descrive la realizzazione di un turbidimetro ad alta sensibilità. Una cella di misura cilindrica è posta attraverso una sfera integratrice e un fascio collimato di luce è indirizzato attraverso la cella. Quando un flusso d’acqua in cui sono disperse delle particelle è fatto fluire attraverso la cella di misura, la luce diffusa dalle particelle viene raccolta dalla sfera integratrice e misurata. L’intensità del segnale luminoso è correlato alla quantità di particelle sospese che rendono torbida l’acqua. Il sistema può essere calibrato con gli standard di turbidità NTU (“Nephelometric Turbidity Unit”). Some unconventional applications of the integrating sphere are described in some international patents. US patent 4320978 of 1982 describes the realization of a high sensitivity turbidimeter. A cylindrical measuring cell is placed across an integrating sphere and a collimated beam of light is directed through the cell. When a flow of water in which particles are dispersed is made to flow through the measuring cell, the light scattered by the particles is collected by the integrating sphere and measured. The intensity of the light signal is related to the amount of suspended particles that make the water cloudy. The system can be calibrated with NTU (“Nephelometric Turbidity Unit”) turbidity standards.

Il brevetto US 4942305 del 1990 descrive la realizzazione di un rivelatore di particolato negli aerosoli tramite la tecnica dello scattering di luce laser. Un sottile flusso di aerosoli è convogliato al centro della sfera integratrice da un condotto e raccolto a breve distanza da un altro condotto. Nello spazio tra i due condotti viene fatto passare un fascio di luce laser. Una particella che passa nella zona di misura diffonde la luce laser. Alcuni fotorivelatori posti sulla superficie della sfera integratrice forniscono un segnale che è proporzionale alla dimensione della particella ma è indipendente dalla forma e dalla orientazione della particella rispetto al fascio laser. US patent 4942305 of 1990 describes the realization of a particulate detector in aerosols by means of the laser light scattering technique. A thin stream of aerosols is conveyed to the center of the integrating sphere by a duct and collected a short distance from another duct. A beam of laser light is passed through the space between the two ducts. A particle passing through the measurement area scatters the laser light. Some photodetectors placed on the surface of the integrating sphere provide a signal that is proportional to the size of the particle but is independent of the shape and orientation of the particle with respect to the laser beam.

Il brevetto US 7173697 B1 del 2007 descrive la realizzazione di un nefelometro a basse perdite di troncamento. Un nefelometro misura il segnale di scattering totale, cioè la componente diffusa di un segnale di estinzione. A tale scopo è necessario integrare la luce diffusa in tutte le direzioni. Ciò può essere fatto con una sfera integratrice e il brevetto citato descrive un arrangiamento che riduce le perdite dovute all’introduzione del campione e migliora il responso angolare dello strumento. US patent 7173697 B1 of 2007 describes the realization of a nephelometer with low truncation losses. A nephelometer measures the total scattering signal, which is the diffuse component of an extinction signal. For this purpose it is necessary to integrate the diffused light in all directions. This can be done with an integrating sphere and the cited patent describes an arrangement that reduces losses due to the introduction of the sample and improves the angular response of the instrument.

Si nota che in tutte le applicazioni sopra descritte l’uso della sfera integratrice è sostanzialmente limitato alla diffusione e alla misura di luce alla stessa lunghezza d’onda della sorgente luminosa. It is noted that in all the applications described above, the use of the integrating sphere is substantially limited to the diffusion and measurement of light at the same wavelength as the light source.

Al contrario, nella presente invenzione si utilizza la sfera integratrice per misure di spettroscopia laser in cui la radiazione luminosa è a lunghezze d’onda diverse da quella della sorgente. I fenomeni che danno origine a spostamenti in lunghezza d’onda sono diversi e ben noti in letteratura. On the contrary, in the present invention the integrating sphere is used for laser spectroscopy measurements in which the light radiation is at wavelengths different from that of the source. The phenomena that give rise to shifts in wavelength are different and well known in the literature.

Poiché la sfera integratrice è un diffusore quasi perfetto, secondo l’invenzione essa può essere applicata a misure di fenomeni che prevedono una diffusione isotropa della luce e con tempi di vita dell’ordine dei nanosecondi, che è il tempo caratteristico delle riflessioni multiple della luce all’interno della sfera integratrice. Varie sono le tecniche spettroscopiche che possono essere utilizzate con la metodologia proposta dalla presente invenzione. Ricordiamo l’incandescenza da particolato, la fluorescenza molecolare e la “breakdown spectroscopy” che si origina in seguito ad una scarica dovuta ad intensa focalizzazione di un fascio laser. Since the integrating sphere is an almost perfect diffuser, according to the invention it can be applied to measurements of phenomena which involve an isotropic diffusion of light and with life times of the order of nanoseconds, which is the characteristic time of multiple light reflections. within the integrating sphere. There are various spectroscopic techniques that can be used with the methodology proposed by the present invention. We remember the particulate incandescence, molecular fluorescence and the "breakdown spectroscopy" that arises following a discharge due to the intense focusing of a laser beam.

Ritornando all’esempio di realizzazione delle figure, la scelta del materiale del tubicino 41 dipende dalla lunghezza d’onda dei segnali da misurare. Per misure LII nel visibile e nel vicino infrarosso basta il pyrex. Per misure di fluorescenza nell’UV occorre il quarzo. Attraverso il tubicino 41 (sezione di misura 40) viene fatto fluire il flusso di gas da analizzare che, nel caso di misure LII, contiene il particolato. Returning to the example of realization of the figures, the choice of the material of the tube 41 depends on the wavelength of the signals to be measured. Pyrex is enough for LII measurements in the visible and near infrared. For UV fluorescence measurements, quartz is required. The flow of gas to be analyzed is made to flow through the small tube 41 (measuring section 40) which, in the case of measurements LII, contains the particulate matter.

Due ulteriori ingressi 48a e 48b permettono il passaggio di un leggero flusso d’aria per l’eventuale pulizia delle finestre poste alle estremità del tubicino in modo da permettere l’attraversamento della cella da parte del fascio laser. Two additional inputs 48a and 48b allow the passage of a light flow of air for the possible cleaning of the windows placed at the ends of the tube in order to allow the laser beam to cross the cell.

Nel caso di misure LII, il volume di misura è determinato dal diametro del fascio laser e dalla lunghezza del tubicino 41 all’interno della sfera integratrice. Un valore tipico del diametro di un fascio di un laser commerciale è di circa 6-7 mm. In the case of LII measurements, the measurement volume is determined by the diameter of the laser beam and the length of the tube 41 inside the integrating sphere. A typical value of the beam diameter of a commercial laser is about 6-7 mm.

Alle estremità del tubicino 41 sono connessi due raccordi di chiusura 44, connessi a loro volta con due rispettive finestre 45 per fascio laser e due rispettivi tappi forati 46 di chiusura. Two closing fittings 44 are connected to the ends of the small tube 41, connected in turn with two respective windows 45 for the laser beam and two respective perforated closing caps 46.

La sfera integratrice ha lo scopo di raccogliere la maggior parte del segnale generato dal laser all’interno del tubicino ed emesso in ogni direzione dalle particelle. La sfera integratrice, oltre alle due aperture circolari necessarie per far passare il tubicino di misura, è munita di due ulteriori aperture circolari 43a, 49 poste a 90° su un piano perpendicolare all’asse del tubicino. Queste aperture servono una 43a per la raccolta del segnale luminoso (LII o altro), e l’altra 49, normalmente chiusa, per la procedura di calibrazione che verrà descritta in seguito (figura 3). The integrating sphere has the purpose of collecting most of the signal generated by the laser inside the tube and emitted in every direction by the particles. The integrating sphere, in addition to the two circular openings necessary to pass the measuring tube, is equipped with two further circular openings 43a, 49 placed at 90 ° on a plane perpendicular to the axis of the tube. These openings serve one 43a for collecting the light signal (LII or other), and the other 49, normally closed, for the calibration procedure that will be described below (Figure 3).

Per quanto riguarda il laser 20 di eccitazione dei segnali LII, la scelta del laser dipende dal tipo di misure da effettuare. Nel caso di misure LII in genere si usa un laser ad impulsi del tipo Nd:YAG che emette nell’infrarosso ad una lunghezza d’onda di 1064 nm. As regards the laser 20 for excitation of the signals LII, the choice of the laser depends on the type of measurements to be carried out. In the case of LII measurements, a pulsed laser of the Nd: YAG type is generally used which emits in the infrared at a wavelength of 1064 nm.

Come si è evidenziato precedentemente, non è necessario utilizzare un laser ad alta energia in quanto per raggiungere la saturazione dei segnali LII è necessaria una fluenza laser di circa 250 mJ/cm<2>. Utilizzando valori di fluenza maggiori intervengono fenomeni di sublimazione su una scala temporale dei nanosecondi. Tali fenomeni non sono ancora completamente noti e sono ancora oggetto di ricerca scientifica. È anche noto che esistono laser commerciali a Nd:YAG sono costruiti con una configurazione che può presentare una distribuzione d’energia di campo vicino (“near field”) molto simile ad una distribuzione uniforme (“top hat”). As highlighted above, it is not necessary to use a high-energy laser as a laser fluence of about 250 mJ / cm <2> is required to reach the saturation of the LII signals. By using higher fluence values, sublimation phenomena occur on a nanosecond time scale. These phenomena are not yet fully known and are still the subject of scientific research. It is also known that there are commercial Nd: YAG lasers that are built with a configuration that can have a near field energy distribution very similar to a uniform distribution ("top hat").

Accoppiando direttamente l’uscita del laser alla cella di misura e selezionando con una apertura circolare una sezione del fascio laser, è possibile ottenere una illuminazione uniforme delle particelle senza necessità di utilizzare speciali arrangiamenti ottici per la realizzazione di un fascio uniforme. Ciò a tutto vantaggio della semplicità e compattezza dell’arrangiamento sperimentale. Altri tipi di laser possono comunque essere utilizzati. By directly coupling the laser output to the measuring cell and selecting a section of the laser beam with a circular aperture, it is possible to obtain uniform illumination of the particles without the need to use special optical arrangements to create a uniform beam. This is all to the advantage of the simplicity and compactness of the experimental arrangement. However, other types of lasers can be used.

Vi è ancora il sistema di misura spettroscopico 50 secondo l’invenzione, come segue. Ad una uscita 43a della sfera integratrice è collegato, tramite attacco 43 di fibra ottica, un fascio di fibre ottiche 51 con ampio angolo di raccolta. La maggior parte della luce emessa dalle particelle del gas all’interno della cella, dopo varie riflessioni sulle pareti della sfera integratrice, cade sul fascio di fibre ottiche, che lo indirizzano al sistema di misura spettroscopico 50. Genericamente si tratta di analizzare l’intensità dei segnali luminosi alle varie lunghezze d’onda. Ciò può essere fatto tramite uno spettrografo con opportuno rivelatore. Nel caso di misure di particolato con la tecnica LII a due colori, la realizzazione del sistema di misura può essere fatto nel seguente modo (figura 1). There is still the spectroscopic measurement system 50 according to the invention, as follows. A bundle of optical fibers 51 with a wide collection angle is connected to an outlet 43a of the integrating sphere by means of an optical fiber attachment 43. Most of the light emitted by the gas particles inside the cell, after various reflections on the walls of the integrating sphere, falls on the optical fiber bundle, which directs it to the spectroscopic measurement system 50. Generally it is a question of analyzing the intensity of light signals at various wavelengths. This can be done by means of a spectrograph with a suitable detector. In the case of particulate measurements with the two-color LII technique, the realization of the measurement system can be done in the following way (figure 1).

Dopo la fibra ottica 51, il segnale luminoso viene diviso in due fasci ottici tramite un specchio dicroico 52. Due filtri interferenziali selezionano due opportune bande spettrali e i segnali luminosi vengono rivelati con due fotomoltiplicatori 53a,53b. Si realizza così la tecnica dell’incandescenza a due colori (“Two-color LII”) ampiamente descritta in letteratura per misure assolute di concentrazione del particolato e di dimensioni medie delle nanoparticelle tramite la rilevazione del decadimento temporale dei segnali LII. Le zone spettrali da utilizzare per le misure devono essere lontane da possibili interferenza spettrali. Le regioni attorno ai 400 e ai 700 nm offrono un buon compromesso tra sensibilità dei fotomoltiplicatori e lontananza da possibili interferenze. After the optical fiber 51, the light signal is divided into two optical beams by means of a dichroic mirror 52. Two interference filters select two suitable spectral bands and the light signals are detected with two photomultipliers 53a, 53b. Thus, the two-color incandescence technique ("Two-color LII") is achieved, widely described in the literature for absolute measurements of particulate concentration and average size of nanoparticles by detecting the time decay of LII signals. The spectral zones to be used for measurements must be far from possible spectral interference. The regions around 400 and 700 nm offer a good compromise between the sensitivity of the photomultipliers and the distance from possible interference.

Calibrazione Calibration

Per ottenere misure assolute di concentrazione volumetrica del particolato è necessario effettuare la calibrazione del sistema di misura. To obtain absolute measurements of the volumetric concentration of the particulate it is necessary to calibrate the measurement system.

Essa può essere realizzata con una metodologia che impiega una lampada calibrata standard di irradianza spettrale. Queste lampade forniscono l’irradianza, Rcal(λ) [mW/nm cm<2>], che arriva su una superficie posta a distanza nota dalla lampada (in genere 50 cm) alle varie lunghezze d’onda. La procedura di calibrazione è la seguente, in riferimento allo schema di figura 3. It can be achieved with a methodology that uses a standard calibrated spectral irradiance lamp. These lamps provide the irradiance, Rcal (λ) [mW / nm cm <2>], which arrives on a surface located at a known distance from the lamp (generally 50 cm) at various wavelengths. The calibration procedure is as follows, with reference to the diagram in figure 3.

Si pone il sistema di misura (composto dalla camera 41, sfera integratrice 42 e fibra ottica 51) alla distanza di calibrazione dalla lampada 81 con l’apertura di calibrazione 49 della sfera integratrice 42 aperta in modo che la luce della lampada di calibrazione 81 illumini l’interno della sfera integratrice. Uno schermo forato 83 permette alla luce della lampada di raggiungere la sfera integratrice evitando che riflessioni spurie e altre sorgenti luminose possano influenzare la procedura di calibrazione. Il diametro dell’apertura di calibrazione 49 è noto, per cui si può calcolare la potenza entrante nella sfera integratrice alle varie lunghezze d’onda. Il segnale misurato su un fotomoltiplicatore è dato dall’espressione: The measuring system (composed of the chamber 41, integrating sphere 42 and optical fiber 51) is placed at the calibration distance from the lamp 81 with the calibration aperture 49 of the integrating sphere 42 open so that the light of the calibration lamp 81 illuminates the inside of the integrating sphere. A perforated screen 83 allows the light from the lamp to reach the integrating sphere, preventing spurious reflections and other light sources from influencing the calibration procedure. The diameter of the calibration aperture 49 is known, so the power entering the integrating sphere at various wavelengths can be calculated. The signal measured on a photomultiplier is given by the expression:

dove GPMTè il guadagno del fotomoltiplicatore, Z è l’impedenza di misura, S è la sezione dell’apertura di calibrazione della sfera integratrice, η(λ) è la riflettività della sfera integratrice comprensiva del tubicino inserito in essa, ΘPMT(λ) è la risposta spettrale del fotomoltiplicatore [A/W], e τ(λ) è la trasmissività ottica del filtro di misura prima del fotomoltiplicatore. where GPMT is the gain of the photomultiplier, Z is the measurement impedance, S is the section of the calibration aperture of the integrating sphere, η (λ) is the reflectivity of the integrating sphere including the tube inserted in it, ΘPMT (λ) is the spectral response of the photomultiplier [A / W], and τ (λ) is the optical transmissivity of the measurement filter before the photomultiplier.

Se la banda passante del filtro è sufficientemente stretta da poter ritenere costanti le altre grandezze, il segnale del fotomoltiplicatore diventa: If the passband of the filter is narrow enough to be able to keep the other quantities constant, the photomultiplier signal becomes:

dove λ è ora la lunghezza d’onda di misura. La relazione permette il calcolo della costante di calibrazione Ca(λ) [V/mW] con la porta di calibrazione aperta: where λ is now the measurement wavelength. The relation allows the calculation of the calibration constant Ca (λ) [V / mW] with the calibration door open:

I segnali SILIIS vengono però misurati con l’apertura di calibrazione chiusa. La nuova costante di calibrazione C(λ) si ricava facendo due misure, ad esempio LII una con porta chiusa, LII, ed una con porta aperta, LIIa. La costante di calibrazione corretta è data dalla semplice relazione: However, SILIIS signals are measured with the calibration opening closed. The new calibration constant C (λ) is obtained by making two measurements, for example LII one with closed door, LII, and one with open door, LIIa. The correct calibration constant is given by the simple relationship:

dove il rapporto LII/LIIatiene conto della perdita attraverso l’apertura medesima. Questa procedura di calibrazione deve essere ripetuta per tutte le lunghezze d’onda necessarie per le misure. where the LII / LII ratio takes into account the loss through the opening itself. This calibration procedure must be repeated for all the wavelengths necessary for the measurements.

Applicazione della metodologia secondo l’invenzione alle misure di concentrazione di particolato con la tecnica LII (SILIIS). Application of the methodology according to the invention to particulate concentration measurements with the LII (SILIIS) technique.

Il segnale d’incandescenza emesso da una singola particella di fuliggine, LIIp[mW/nm], è dato dalla nota relazione: The glow signal emitted by a single soot particle, LIIp [mW / nm], is given by the known relationship:

dove h è la costante di Plank, c la velocità della luce, k la costante di Boltzmann, λ la lunghezza d’onda di misura, E(m) è la funzione d’assorbimento dipendente dall’indice di rifrazione complesso, m, dpè il diametro delle particelle di fuliggine e Tsootè la temperatura della nanoparticella di fuliggine. Assumendo che tutte le particelle all’interno del volume di misura abbiano lo stesso diametro, il segnale LII totale emesso all’interno della cella di misura si calcola come: where h is the Plank constant, c the speed of light, k the Boltzmann constant, λ the measurement wavelength, E (m) is the absorption function dependent on the complex refractive index, m, dpè the diameter of the soot particles and Tsoot is the temperature of the soot nanoparticle. Assuming that all the particles within the measurement volume have the same diameter, the total LII signal emitted inside the measurement cell is calculated as:

dove npè la concentrazione delle particelle [#/cm<3>] e V=πΦ<2>L/4 [cm<3>] è il volume del tubicino di pirex all’interno della sfera integratrice. La frazione in volume della fuliggine, fv, è data dalla relazione: where np is the concentration of the particles [# / cm <3>] and V = πΦ <2> L / 4 [cm <3>] is the volume of the pyrex tube inside the integrating sphere. The volume fraction of soot, fv, is given by the relation:

Dal segnale LII misurato, VLII(λ) [mV] alla lunghezza d’onda λ, ed utilizzando la costante di calibrazione C(λ) si ottiene: From the measured LII signal, VLII (λ) [mV] at the wavelength λ, and using the calibration constant C (λ) we obtain:

La temperatura della fuliggine può essere calcolata dal rapporto dei segnali LII a due lunghezze d’onda, λ1e λ2, tramite la formula classica della pirometria a due colori: The temperature of the soot can be calculated from the ratio of LII signals at two wavelengths, λ1 and λ2, using the classic formula of two-color pyrometry:

Determinata la temperatura delle particelle la frazione in volume è data da: Once the temperature of the particles has been determined, the volume fraction is given by:

La fluenza laser da utilizzare per le misure deve essere scelta con alcune ulteriori considerazioni. The laser fluence to be used for the measurements must be chosen with some further considerations.

Utilizzando fluenze basse (ad esempio fino a 100 mJ/cm<2>nell’IR) i segnali LII possono essere bassi e alquanto rumorosi, d’altro canto alte fluenze (sopra i 500 mJ/cm<2>) provocano fenomeni di sublimazione delle nanoparticelle con diminuzione dei diametri e perdita di materiale che possono inficiare la misura. La “best practice” suggerita dai ricercatori è quella di mantenersi al limite della zona di linearità del segnale LII, nel campo 150-200 mJ/cm<2>, oppure arrivare alla zona di inizio “saturazione” nel campo 250-300 mJ/cm<2>, limitando i fenomeni si sublimazione. La scelta finale della fluenza laser da utilizzare dipende naturalmente dalla concentrazione delle nanoparticelle e quindi dall’intensità dei segnali LII. Using low fluences (for example up to 100 mJ / cm <2> in the IR) the LII signals can be low and quite noisy, on the other hand high fluences (above 500 mJ / cm <2>) cause sublimation phenomena of nanoparticles with decrease in diameters and loss of material that can invalidate the measurement. The "best practice" suggested by the researchers is to keep to the limit of the linearity zone of the LII signal, in the 150-200 mJ / cm <2> range, or to reach the starting "saturation" zone in the 250-300 mJ / range. cm <2>, limiting the phenomena of sublimation. The final choice of the laser fluence to be used naturally depends on the concentration of the nanoparticles and therefore on the intensity of the LII signals.

Nel caso di utilizzo di una alta fluenza laser, con la possibilità di fenomeni di sublimazione, è necessario considerare la velocità di percorrenza dei gas all’interno del tubicino della cella di misura per evitare che più impulsi laser eccitino lo stesso volume di gas. Chiamando Ltla distanza tra l’ingresso e l’uscita (7a e 7b di figura 2) dei gas di misura e Φtil diametro interno del tubicino di pirex, il volume di gas nella sezione di misura è Vt=πΦt<2>Lt/4 [cm<3>]. Utilizzando una pompa di aspirazione con una portata Qt[cm<3>/s] per garantire che l’intera sezione di gas sia interessata da un solo impulso laser, la frequenza degli impulsi laser deve rispettare la condizione: f<4Qt/πΦt<2>Lt[Hz]. Ad esempio, per una portata di gas di 1 l/min, un diametro del tubicino di 6 mm e una lunghezza Ltdi 8 cm si ottiene una frequenza massima degli impulsi laser di 7 Hz. In the case of using a high laser fluence, with the possibility of sublimation phenomena, it is necessary to consider the travel speed of the gases inside the measuring cell tube to prevent multiple laser pulses from exciting the same volume of gas. Calling Lt the distance between the inlet and outlet (7a and 7b of figure 2) of the measurement gases and Φthe internal diameter of the pyrex tube, the volume of gas in the measurement section is Vt = πΦt <2> Lt / 4 [cm <3>]. Using a suction pump with a flow rate Qt [cm <3> / s] to ensure that the entire gas section is affected by a single laser pulse, the frequency of the laser pulses must comply with the condition: f <4Qt / πΦt < 2> Lt [Hz]. For example, for a gas flow rate of 1 l / min, a tube diameter of 6 mm and a length Lt of 8 cm, a maximum laser pulse frequency of 7 Hz is obtained.

La presente descrizione del brevetto è stata, fino ad ora, limitata all’uso della sfera integratrice accoppiata alla tecnica LII per misure di concentrazione del particolato carbonioso. Up to now, this patent description has been limited to the use of the integrating sphere coupled to the LII technique for concentration measurements of the carbonaceous particulate.

Nulla vieta di utilizzare la stessa tecnica LII e l’apparecchiatura proposta anche per le misure di dimensioni medie del particolato. A questo scopo la comunità scientifica ha già elaborato alcune teorie, abbastanza complesse, che tengono conto di vari fenomeni fisico-chimici che avvengono durante l’interazione di un fascio laser con le particelle nanometriche. Le equazioni che descrivono tali fenomeni riguardano i bilanci di massa ed energia includendo l’assorbimento dell’energia del laser, le perdite di calore dovute alla vaporizzazione, la conduzione del calore con i gas circostanti, la radiazione e le variazioni di energia interna delle particelle. There is nothing to prevent the use of the same LII technique and the proposed equipment also for the measurements of average particle sizes. For this purpose, the scientific community has already developed some theories, quite complex, which take into account various physicochemical phenomena that occur during the interaction of a laser beam with nanometric particles. The equations that describe these phenomena concern the mass and energy balances including the absorption of laser energy, the heat losses due to vaporization, the conduction of heat with the surrounding gases, radiation and internal energy variations of the particles. .

Vari programmi di calcolo sono stati sviluppati dalla comunità scientifica. In particolare nel sito www.liisim.com si trova una interfaccia che permette all’utilizzatore di scegliere tra diverse configurazioni generali per risolvere le equazioni di bilancio di massa e di energia tenendo conto della distribuzione dei diametri delle particelle e del loro grado di aggregazione. In particolare, utilizzando i dati sperimentali delle curve di decadimento temporale del segnale LII, è possibile determinare il diametro medio delle particelle tramite una procedura di “best fit” tenendo anche conto della risposta temporale dell’apparato sperimentale. Various calculation programs have been developed by the scientific community. In particular, on the website www.liisim.com there is an interface that allows the user to choose between different general configurations to solve the mass and energy balance equations taking into account the distribution of the particle diameters and their degree of aggregation. In particular, using the experimental data of the time decay curves of the LII signal, it is possible to determine the average diameter of the particles through a "best fit" procedure, also taking into account the temporal response of the experimental apparatus.

Occorre notare che una sfera integratrice introduce una costante di tempo nella risposta temporale ai fotoni d’ingresso. Questo effetto è dovuto all’incremento del tempo di passaggio dei fotoni riflessi all’interno della sfera che percorrono cammini diversi prima di raggiungere il rivelatore di luce. Il decadimento temporale del segnale luminoso di una sfera integratrice è descritto da una relazione di tipo esponenziale, e<-t/τ>, dove la costante di tempo è data dalla relazione: It should be noted that an integrating sphere introduces a time constant in the time response to the input photons. This effect is due to the increase in the passage time of the photons reflected inside the sphere that travel through different paths before reaching the light detector. The time decay of the light signal of an integrating sphere is described by an exponential relationship, e <-t / τ>, where the time constant is given by the relationship:

dove Dsè il diametro della sfera integratrice, c è la velocità della luce e ρ è la riflettività media delle pareti della sfera. Assumendo un valore di riflettività di 0,98 con una diametro della sfera di 5 cm si ottiene una costante di tempo τ = 5,5 ns. Anche i fotomoltiplicatori, usati per la rivelazione dei segnali luminosi, presentano una costante di tempo non trascurabile e dell’ordine del nanosecondo. La risposta temporale dell’intero sistema di rivelazione è data quindi dalla convoluzione delle risposte temporali della sfera integratrice e del fotomoltiplicatore. where Ds is the diameter of the integrating sphere, c is the speed of light and ρ is the average reflectivity of the walls of the sphere. Assuming a reflectivity value of 0.98 with a sphere diameter of 5 cm, a time constant τ = 5.5 ns is obtained. Even the photomultipliers, used for the detection of light signals, have a non-negligible time constant and of the order of the nanosecond. The temporal response of the entire detection system is therefore given by the convolution of the temporal responses of the integrating sphere and of the photomultiplier.

Una misura sperimentale della costante di tempo dell’intero sistema può essere fatta iniettando nella cella di misura un fascio laser ad impulsi di bassa potenza (per evitare i fenomeni d’incandescenza) e misurando la forma temporale degli impulsi della luce di scattering. La costante di tempo del sistema di misura dei segnali LII è quindi usata per l’analisi dei segnali secondo la procedure descritta precedentemente. An experimental measurement of the time constant of the entire system can be made by injecting a low-power pulsed laser beam into the measuring cell (to avoid incandescence phenomena) and measuring the temporal form of the scattering light pulses. The time constant of the LII signal measurement system is then used for the analysis of the signals according to the procedure described above.

NOTE SULLA TECNICA SILS PER MISURE DI FLUORESCENZA NOTES ON THE SILS TECHNIQUE FOR FLUORESCENCE MEASUREMENTS

(SILIFS) E DI BREAKDOWN SPECTROSCOPY (SILIBS) (SILIFS) AND BREAKDOWN SPECTROSCOPY (SILIBS)

In particolare la tecnica SILS può essere applicata a misure di fluorescenza indotta da laser (SILIFS) con particolare riguardo alla determinazione di sostanze soggette a fluorescenza a larga banda come gli idrocarburi policiclici aromatici (IPA). Si può quindi estendere l’applicabilità del brevetto italiano di invenzione industriale n. domanda MI97A000240 depositata il 07.02.1997 con inventori F. Cignoli, S. Benecchi e G. Zizak, due dei quali sono anche inventori del presente brevetto. In particular, the SILS technique can be applied to laser induced fluorescence measurements (SILIFS) with particular regard to the determination of substances subject to broadband fluorescence such as polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs). The applicability of the Italian industrial invention patent no. application MI97A000240 filed on 07.02.1997 with inventors F. Cignoli, S. Benecchi and G. Zizak, two of whom are also inventors of the present patent.

Attraverso i mezzi di adduzione 10, 11 il gas contenente le sostanze da rivelare viene convogliato nella camera di misura 41 secondo lo schema precedentemente descritto. Through the supply means 10, 11 the gas containing the substances to be detected is conveyed into the measuring chamber 41 according to the previously described scheme.

Un laser opportuno 20, ad esempio un Nd:YAG in quarta armonica che emette radiazione UV a 266 nm, passa attraverso la camera di misura, come precedentemente descritto. Le sostanze, come gli IPA, presenti nella camera di misura assorbono la radiazione UV ed emettono fluorescenza a larga banda nel campo UV-VIS. A suitable laser 20, for example a fourth harmonic Nd: YAG emitting UV radiation at 266 nm, passes through the measurement chamber, as previously described. Substances, such as PAHs, present in the measuring chamber absorb UV radiation and emit broadband fluorescence in the UV-VIS range.

Lo spettro di fluorescenza dipende dalla composizione e concentrazione delle specie chimiche presenti nel volume di misura. Tramite fibra ottica 51 il segnale di fluorescenza è convogliato all’apparecchiatura di misura come nello schema precedentemente descritto. The fluorescence spectrum depends on the composition and concentration of the chemical species present in the measurement volume. Through optical fiber 51 the fluorescence signal is conveyed to the measurement equipment as in the previously described scheme.

In questo caso, trattandosi di spettri a larga banda strutturati, sarà opportuno prevedere l’uso di uno spettrografo con rivelatore intensificato a CCD, invece del sistema a due colori. La procedura per l’acquisizione, l’analisi degli spettri e la deconvoluzione numerica per il riconoscimento della composizione dei gas è già stata descritta nel brevetto del 1997 sopra citato. In this case, since these are structured broadband spectra, it will be advisable to use a spectrograph with a CCD intensified detector, instead of the two-color system. The procedure for the acquisition, the analysis of the spectra and the numerical deconvolution for the recognition of the gas composition has already been described in the 1997 patent mentioned above.

Un’altra applicazione della tecnica SILS può riguardare l’applicazione della ben nota tecnica della spettroscopia su breakdown indotto da laser o “laserinduced breakdown spectroscopy” per l’analisi della composizione atomica degli aerosoli (SILIBS). Questa tecnica utilizza un laser, tipicamente un Nd:YAG ad impulsi nell’IR, focalizzato in modo da generare una scarica che rompe le molecole contenute negli aerosoli che passano in coincidenza con l’impulso laser. Dato il forte campo elettrico, gli atomi vengono eccitati ed emettono una radiazione luminosa che ne permette l’identificazione. L’analisi spettrale della radiazione fornisce quindi la composizione atomica degli aerosoli. La tecnica è particolarmente utile nella rivelazione di contaminanti come i metalli pesanti. Another application of the SILS technique may concern the application of the well-known technique of laser-induced breakdown spectroscopy or "laserinduced breakdown spectroscopy" for the analysis of the atomic composition of aerosols (SILIBS). This technique uses a laser, typically a pulsed Nd: YAG in the IR, focused in order to generate a discharge that breaks the molecules contained in the aerosols that pass in coincidence with the laser pulse. Given the strong electric field, the atoms are excited and emit a light radiation that allows their identification. The spectral analysis of the radiation therefore provides the atomic composition of the aerosols. The technique is particularly useful in the detection of contaminants such as heavy metals.

Per realizzare l’apparato SILIBS occorre sostituire la finestra d’ingresso 45 nella cella di misura 41 con una opportuna lente che permetta la focalizzazione del fascio al centro della sfera integratrice. Il sistema di prelievo 10, 11, il laser 20 sono identici a quanto descritto mentre il sistema di misura 50 può essere realizzato come per la tecnica SILIFS, con uno spettrografo e camera intensificata CCD. To create the SILIBS apparatus, it is necessary to replace the entrance window 45 in the measuring cell 41 with a suitable lens that allows the beam to be focused at the center of the integrating sphere. The sampling system 10, 11, the laser 20 are identical to that described while the measurement system 50 can be realized as for the SILIFS technique, with a spectrograph and intensified CCD camera.

In quel che precede sono state descritte le preferite forme di realizzazione e sono state suggerite delle varianti della presente invenzione, ma è da intendersi che gli esperti del ramo potranno apportare modificazioni e cambiamenti senza con ciò uscire dal relativo ambito di protezione, come definito dalle rivendicazioni allegate. In the foregoing, the preferred embodiments have been described and variants of the present invention have been suggested, but it is to be understood that those skilled in the art will be able to make modifications and changes without thereby departing from the relative scope of protection, as defined by the claims attached.

Claims (11)

RIVENDICAZIONI 1. Apparato (100) per la misurazione di radiazione isotropica da gas attraverso spettroscopia laser, comprendente: - mezzi (10,11) di adduzione di gas in - almeno una camera di misura (41); - mezzi (30,31) di evacuazione del gas dalla cella di misura; - almeno una sorgente laser (20) che genera un fascio laser (21) che passa attraverso detta camera di misura (41); e caratterizzato dal fatto di comprendere ulteriormente: - una sfera integratrice (42) attraverso cui è fatta passare detta camera di misura (41); - una fibra ottica (51) connessa (43) da un lato ad un’apertura (43a) di detta sfera integratrice (42) per raccogliere un segnale luminoso di misura, e dall’altro ad - un sistema (50, 60, 70) di analisi del segnale luminoso di misura. CLAIMS 1. Apparatus (100) for measuring gas isotropic radiation by laser spectroscopy, comprising: - gas supply means (10,11) in - at least one measuring chamber (41); - means (30,31) for evacuating the gas from the measuring cell; - at least one laser source (20) which generates a laser beam (21) which passes through said measurement chamber (41); and characterized by the fact of further understanding: - an integrating sphere (42) through which said measuring chamber (41) is made to pass; - an optical fiber (51) connected (43) on one side to an opening (43a) of said integrating sphere (42) to collect a light measurement signal, and on the other to - a system (50, 60, 70) for analyzing the measurement light signal. 2. Apparato secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti mezzi (10) di adduzione di gas comprendono una sonda di prelievo (10) ed un condotto (11). 2. Apparatus according to claim 1, characterized in that said gas supply means (10) comprise a sampling probe (10) and a duct (11). 3. Apparato secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che detto sistema di analisi (50,60,70) del segnale luminoso di misura comprende: - mezzi (52) per la separazione dello stesso segnale in due fasci ottici appartenenti a due opportune bande spettrali, nonché - mezzi di rivelazione (53a,53b) di detti due fasci ottici, per implementare la tecnica di misura ad incandescenza a due colori. 3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that said analysis system (50,60,70) of the measurement light signal comprises: - means (52) for the separation of the same signal into two optical beams belonging to two appropriate spectral bands as well - detection means (53a, 53b) of said two optical beams, to implement the two-color incandescent measurement technique. 4. Apparato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 3, caratterizzato dal fatto che detta camera di misura (41) è costituita da un tubicino trasparente in pirex o quarzo, passante diametralmente attraverso la sfera integratrice. 4. Apparatus according to any one of claims 1 to 3, characterized in that said measuring chamber (41) consists of a transparent pyrex or quartz tube, passing diametrically through the integrating sphere. 5. Apparato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 4, quando non dipendente dalla rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che, per misure di fluorescenza indotta da laser, con particolare riguardo alla determinazione di sostanze soggette a fluorescenza a larga banda come gli idrocarburi policiclici aromatici, detto sistema (50, 60, 70) di analisi del segnale luminoso di misura comprende uno spettrografo con rivelatore intensificato a CCD. 5. Apparatus according to any one of claims 1 to 4, when not dependent on claim 3, characterized in that, for laser-induced fluorescence measurements, with particular regard to the determination of substances subject to broadband fluorescence such as polycyclic hydrocarbons aromatics, said system (50, 60, 70) for analyzing the measurement light signal comprises a spectrograph with a CCD intensified detector. 6. Apparato secondo la rivendicazione 5, per la misurazione di radiazione isotropica da gas attraverso spettroscopia su breakdown indotto da laser, in cui prima dell’ingresso della camera di misura (41) è posta una opportuna lente che permette la focalizzazione del fascio al centro della sfera integratrice (42). 6. Apparatus according to claim 5, for the measurement of isotropic radiation from gas by means of laser-induced breakdown spectroscopy, in which, before the entrance to the measurement chamber (41), a suitable lens is placed which allows the beam to be focused at the center of the integrating sphere (42). 7. Metodo di misura di radiazione luminosa isotropica ottenuta attraverso spettroscopia laser, caratterizzato dal fatto di eseguire le seguenti fasi: A. inviare un gas da analizzare in una camera di misura (41); B. inviare un fascio laser (21) in detta camera di misura (41); C. raccogliere la luce diffusa da detto gas colpito da detto fascio laser (21), tramite una sfera integratrice (42); D. trasformare il segnale luminoso di misura integrato da detta sfera integratrice (42) in un segnale elettrico tramite opportuni fotorivelatori; E. analizzare detto segnale elettrico per ottenere la misura ricercata. 7. Method for measuring isotropic light radiation obtained by laser spectroscopy, characterized by carrying out the following steps: A. sending a gas to be analyzed into a measuring chamber (41); B. sending a laser beam (21) into said measuring chamber (41); C. collecting the light scattered by said gas hit by said laser beam (21), by means of an integrating sphere (42); D. transforming the luminous measurement signal integrated by said integrating sphere (42) into an electrical signal by means of suitable photodetectors; E. analyze said electrical signal to obtain the desired measurement. 8. Metodo secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che la fase E implementa la tecnica di misura ad incandescenza a due colori. Method according to claim 7, characterized in that step E implements the two-color incandescent measurement technique. 9. Metodo secondo la rivendicazione 7 o 8, caratterizzato dal fatto che prima della fase A viene eseguita una fase di calibrazione A0, in cui vengono eseguite le seguenti fasi: A0_1. posizionare una lampada calibrata (81) di irradianza spettrale ad una distanza di calibrazione (83) da una apposita porta di calibrazione (49) della sfera integratrice (42), la quale può assumere una configurazione aperta ed una configurazione chiusa, in modo tale che la luce della lampada di calibrazione (81) illumini l’interno della sfera integratrice (42) quando la porta di claibrazione è aperta; A0_2. misurare la potenza del segnale in uscita dalla sfera integratrice tramite la disposizione della fase A0_1; A0_3. Calcolare la costante di calibrazione Method according to claim 7 or 8, characterized in that a calibration step A0 is performed before step A, in which the following steps are performed: A0_1. place a calibrated spectral irradiance lamp (81) at a calibration distance (83) from a suitable calibration port (49) of the integrating sphere (42), which can assume an open configuration and a closed configuration, so that the light of the calibration lamp (81) illuminates the interior of the integrating sphere (42) when the calibration door is open; A0_2. measuring the power of the output signal from the integrating sphere through the arrangement of phase A0_1; A0_3. Calculate the calibration constant dove λ è la lunghezza d’onda del segnale uscente da un fotorilevatore, Vcal(λ) è il segnale misurato sullo stesso fotorilevatore, S è la sezione della porta di calibrazione della sfera integratrice, Rcal(λ) l’irradianza della lampada di calibrazione alla distanza di calibrazione. A0_4. misurare la potenza del segnale in uscita dalla sfera integratrice con la disposizione della fase A0_1 in cui però la porta di calibrazione (81) è chiusa; A0_5. Calcolare la costante di calibrazione corretta: where λ is the wavelength of the signal outgoing from a photodetector, Vcal (λ) is the signal measured on the same photodetector, S is the section of the calibration gate of the integrating sphere, Rcal (λ) the irradiance of the calibration lamp to the calibration distance. A0_4. measuring the power of the output signal from the integrating sphere with the arrangement of phase A0_1 in which, however, the calibration gate (81) is closed; A0_5. Calculate the correct calibration constant: dove LII è il valore della misura con porta di calibrazione aperta e LIIaè il valore della misura con porta di calibrazione chiusa. where LII is the measurement value with the calibration door open and LIIa is the measurement value with the calibration door closed. 10. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 7 a 9, caratterizzato dal fatto che nella fase E si tiene conto del decadimento temporale del segnale luminoso della sfera integratrice (42), che ha un andamento di tipo e-t/τ, dove: Method according to any one of claims 7 to 9, characterized in that in phase E the temporal decay of the light signal of the integrating sphere (42) is taken into account, which has an e-t / τ type trend, where: dove Dsè il diametro della sfera integratrice (42), c è la velocità della luce e ρ è la riflettività media delle pareti della sfera integratrice (42). where Ds is the diameter of the integrating sphere (42), c is the speed of light and ρ is the average reflectivity of the walls of the integrating sphere (42). 11. Metodo secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che nella fase D si tiene conto anche della costante di tempo dei fotorivelatori, la risposta temporale dell’intero sistema comprendente la sfera integratrice e i fotorivelatori essendo data dalla convoluzione delle risposte temporali della sfera integratrice (42) e dei fotorivelatori.Method according to claim 10, characterized in that in phase D the time constant of the photodetectors is also taken into account, the time response of the entire system comprising the integrating sphere and the photodetectors being given by the convolution of the time responses of the integrating sphere ( 42) and photodetectors.
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E. GIBB, E. CORBETT, I. GORNUSHKIN, B. SMITH, D. HAHN, AND J. WINEFORDNER: "Reduction of spatial effects on emission line intensity observed from single aerosol particles via diffuse reflectance from an integrating sphere", OSA TRENDS IN OPTICS AND PHOTONICS SERIES: LASER INDUCED PLASMA SPECTROSCOPY AND APPLICATIONS, vol. 81, 2002, XP002588928 *

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