Способ определения параметров состояния молекулярных газов

 

1. СПОСОБ ОПРЕДЕЖНИЯ ПАРАМЕТРОВ СОСТОЯНИЯ МОЛЕКУЛЯРНЫХ ГАЗОВзапаса колебательной энергии ё,(ом колебательных температур Т ,,со .держания молекул Р и заселеиностей колебательных уровней - в колебательно-неравновесных разреженных средах, включающий измерение средней спектральной интенсивности излучения 5j , определение среднего спектрального поглощения а исследуемой среды в интервалах частот Д ., расположенных в максимумах излучения колебательно-вращательных полос переходов в основное состояние f , по которым определяют HCKOhffiie парэметры , о т ли ча ю щи йся тем, что, с целью уменьшения погрешностей измерений, расширения типов диагностируемых сред и обеспечения дистанционного определения параметров, излучение среды пропускают через кювету , наполненную смесью исследуемых |газов с газом-разбавителем, вьщеляют излучение каждой исследуемой молекулярной составляющей среды в интервалах частот iV, на участках линий с оптической толщиной f т 10, измеряют суммарное поглощенное на этих участках излучение среды и определяют , по нему среднее значение функции Планка 3 ,а среднее поглощение среды находят из отношения . -s. 4ik 9д СЛ 2. Способ по п. 1, о т ли ч а ющ и и с я тем, что эквивалентные ширины W линт исследуемых газов эо в кювете выбирают в пределах 9д Wj «/« 2 У -д г ф 2 Д Tf и соответственно дбпплеровскиё полуширины и эквивалентные ширины спектральных линий в среДе.

СОЮЗ 008ЕТСННХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН ()9) () )) 4P)) G 01 N 21/39

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

AO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЦТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1

I (2 1) 3676805/24-25 . (22) 21.12.83 (46) 23.03.85. Бюл. И- 11 (72) Л.П.Бахир, С.В.Симоньков и С.Л.Шуралев (71) Ордена Трудового Красного Знамени институт физики АН Белорусской

ССР (53) 535.242(088.8) (56) 1, Ачасов О.В. и др. О диагностике молекулярных состояний углекислого газа по резонансному поглощению излучения СО -лазера. — ДАН СССР, 1979, т. 249, Ф 6, с. 1353-1356.

2. Бахир Л.П., Оверчеико 10.В. Определение заселенностей колебательных уровней молекулы С0 в газодинамичес-, ких лазерах методамй HK-спектроско° пии. - ЖПС, т. 30, 1979, В 1, с. 4445 (прототип). (54) (57) 1. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ СОСТОЯНИЯ МОЛЕКУЛЯРНЫХ ГАЗОВзапаса колебательной энергии -6 „, колебательных температур 7„,.со(/ .держания молекул Р; и заселенностей колебательных уровней К„) — в колебательно-неравновесных разреженных средах, включающий измерение средней спектральной интенсивности излуче° «1 ния 3, определение среднего спект рального поглощения а исследуемой среды в интервалах частот Ь, расположенных в максимумах излучения колебательно-вращательных полос пере1 ходов в осчовное состояние ъУ - 0, по которым определяют искомые параметры, отличающийся тем, что, с целью уменьшения погрешностей измерений, расширения тинов диагностируемых сред и обеспечения дистанционного определения параметров, излучение среды пропускают через кювету, наполненную смесью исследуемых газов с газом-разбавителем, выделяют излучение каждой исследуемой молекулярной составляющей среды в интервалах частот 3 4 .0 на участках линий с оптической толщиной К 10, измеряют суммарное поглощенное на этих участках излучение среды и определяют по нему среднее значение

М функции. Планка З,а среднее поглощение среды находят Hs отношения

Э ..Ф .ф(3(. Ь

4.

2. Способ о п. 1, о т л и ч а юшийся тем, что эквивалентные ширины 5fф <линий исследуемых газов в кювете выбирают в пределах с . 1 с с

23 А - I< - — 4 о гд у„и ®Ф соответственно допплеровские полуши1 рины и эквивалентные шйринй спектральных линий в среДе.

1 11465

Изобретение относится к области инфракрасной спектроскопии и предназначено для-определения параметров состояния молекулярных газов: запаса колебательной энергии е,„, темпера1тур заселения колебательных уров ней - Т ., содержания рабочих молекул P и. заселенностей колебатель1 ных уровней М,„молекул СО2, N О, СО, HF CS и других в активных средах молекулярных лазеров: электроразрядных, газодинамических, ионизационных и с другими системами возбуждения. Кроме того, оно может быть использовано для определения парамет" 1$ ров состояния молекулярных газов в химических реакторах низкого давления, в том числе лазерных, в факелах ракет на больших высотах и различного рода сверхзвуковых струях, истекающих в вакуум, в космических экспериментах нри исследовании процессов, происходящих в верхних слоях атмосферы Земли и других планет солнечной системы.

23

Известен способ определения запаса колебательной энергии, температур заселения лазерных уровней, содержания рабочих молекул и заселеннос.— тей лазерных уровней в активных средах СΠ— и N О -лазеров основанный2 2

Ф на измерении коэффициентов усиления среды в центрах спектральных линий К (4 ) на двух лазерных перехоо о дах 00 1, j-1 10 О, j и 00 1, j-1 - 02 О, j (1).

Недостатками данного способа являются низкая точность определения параметров, сложность реализации и ограниченная область применения. 4О

Требуется сложная теоретическая обработка данных, включающая некорректный учет формы спектральйых ли- . ний. Необходимо стабилизировать и контролировать положение и интенсив- 4$ ность излучения линии, генерируемой просвечивающим лазером, производить перестройку генерации то на один, то на другой переходы. Для диагносгики СО2 -лазера может быть применен 50 только СО -лазер, а для диагностики N20-, CS2- и других лазеров " только N 0-, CS- и другие лазеры.

Промышленностью выпускаются только

СО -лазеры, удовлетворяющие необхо- $5 димым требованиям. Способ не позволяет диагностировать удаление объектов.

86. 2

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ определения параметров состояния молекулярных газов — запаса колебательной энергии е„,„, колебательных температур Т, 1, содержания молекул P. и заселенностей колеба1 тельных уровней N 1- в колебательно0 неравновесных разреженных средах, I включающей измерение средней спектральной .интенсивности излучений I, определение среднего спектрального поглощения а", исследуемой среды в интервалах частот М «а, расположен ных в максимумах излучения колебательно-вращательных полос переходов в основное состояние - О, по котоI рым определяют искомые параметры 32).

Исследуемую среду просвечивают источником непрерывного излучения, промодулированного с частотой Х„ .

Собственное излучение среды модулируют с частотой 2,. Излучение источника, прошедшее через среду, и излучение среды направляют на приемник излучения с набором светофильтров. Из общего сигнала приемника выделяют сигнал, пропорциональный излучению просвечивающего источника, ослабленному средой, и сигнал, пропорциональный интегральной интенсивности излучения спектральных линий исследуемой среды в интервалах час" тот и ), d где d< — расстояние между линиями.

Таким образом регистрируют одновременно средние в интервале час.тот 6 41г,dg спектральные поглощения . II = 1 - Ф и интенсивности излучения 3,1 исследуемой среды на различных переходах, выделяемых с помощью фильтров. По измеренным величинам находят значение функции Планка

j1

Э =-« .—, Вт/см ср-.см ". (1)

cI о1

По 3 для переходов 00 1 — 00110 на9 ходят запас колебательной энергии Е в асимметричном типе колебаний з 41 00 1-00 0

{2) ..С„t7t 43 где С 3,74 -1 О Вт ° см" — первая

11 радиационная постоянная 4 — частота излучения, сьг", и колебательную температуру верхнего уровня Т 00 1 из выражения функции Планка

1146

Е

1Г1 у2 Оз 1

»

Д, 7 ехр где С = 1,4388 см

К вЂ” вторая радиационная постоянная

; энергия верхнего колебаФ1 02 uú тельного уровня, см

-oi о

По 3< для переходов 02 1 - 000 и 10 Π— 000 находят из выражения (3) T io» „,, а затем из соотношения

Е»о » о2 1 Е.»о » ь » — K»»a 1 Е»»о q с + 1/) -»

Т»о»,о2»e Т »о о,о2 о где Š— энергия колебательных уровней, находят Т„о., = Тo eо °

Далее принимают Т„- равной поступательной температуре Т, и по

1 измеренным Я ., используя расчетную

) зависимость 6 = Z) при извест"

17 ных T и общее давление среды Роб, об ц » определяют содержания молекул Р., » (а затем рассчитывают заселенности уровней ООо1» 02 О, 10 О, 10 1, 02 1 по формуле

20 т Е, „P «P — — (s} г= о т В „ т.,) Кт„ где и, — число Лошмидта З0

То 273 К;

, — степень вырождения уровня

Й (Т»} — колебательная статистическая сумма.

Недостатком известного способа яв-35 ляется то, что с его помощью колебательные теяпературы уровней 00 1, 10оО, 02 .О, 10оt, 02 1 могут быть оп-. ределены только для наиболее сильных трехатомных молекул, таких как СО » 40

N О, CS> SO> и лишь при больших размерах автипной среды 2 = 100—

200 см. При размерах среды Z .(10 см колебательные температуры уровней

10о1, 02 1, 02 О не могут быть опре- 45 делены, так как среднее спектральное поглощение в максимумах полос 104 1, 02 О О О в области длин волн

2,7 мкм невелико и не может быть надежно измерено. В связи с этим 50 недостаточна также точность определения Т о„ и содержания молекул Р, .

Диагностика активной среды с помощью известного способа производится, по направлению оси резонатора, по ко-5$ торому среда имеет наибольшие размеры. В то же время для контроля эффективности его работы необходимо

586 4 определять Т . и Т, . в процессе оо 1»ооо,02 о генерации по излучению и поглощению среды в направлении, перпендикулярном резонатору, имеющей значительно меньшую толщину (Z х 10 см), чем по его оси. При малых размерах струи с помощью известного способа не могут также быть определены колебательные температуры рабочих молекул в весьма перспективных СО-, HF-, НС1-ла" зерах, так как основные полосы молекул СО, HF НС1 значительно слабее основной полосы СО .

Цель изобретения — уменьшение погрешностей измерений, расширение типов диагностируемых сред и обеспечение дистанционного определения параметров состояния молекул.

Поставленная цель достигается.тем, что согласно способу определения параметров состояния молекулярных газов — запаса колебательной энергииИ„,„, колебательных температур Т» г, содержания молекул Р,. и заселеннос-, тей колебательных уровней И <- в ко- .

Ю лебательно-неравновесных разреженных средах, включающему измерение сред-, ней спектральной интенсивности из» лучения Э » определение среднего спектрального по глощения 5 иссле1 дуемой среды в интервалах частот

:д .,, » расположенных в максимумах излучения колебательно-вращательных полос переходов в основное состояI. ние 4 0, по которым определяют искомые параметры, излучение среды про пускают через кювету, наполненную смесью исследуемых газов с газом:разбавителем, выделяют излучение каждой исследуемой молекулярной составляющей среды в интервалах частот д ) » - О на участках линий с, » оптической толщиной Т r f 0, измеряют суммарное поглощение йа этих участках излучение среды и определяют по нему среднее значение функции Планка 3, а среднее поглощение среды

-» находят иэ отношения .,„» — у 1 о»»

При этом эквивалентные ширины линий исследуемых газов в кювете .выбирают в пределах 23 (Ф 6- %,, с кс1 с где у и W < - соответственно допплеровские полуширины и эквивалентные ширины спектральных линий в среде.

На фиг. 1 изображено устройство для реализации способа определения с !

2 е Й 2 Ж, и поглощает из, лу ение среды в пределах горизон- 45 тальных участков линий, которые в связи с этим являются для него "квазичерными". Нижний предел Ф ограничивается допплеровской шириной спектральных линий 2, которая в максимумах полос 00 О-00 1 СО а ф г

00 0-10.1 СО, и 0-1 СО при т = 300 К при Л „„= 4,25; 2,68 4,59 мкм рав на соответственно 0,0044; 0,0068

0,005 см ., Для обеспечения наибольшего спектрального разрешения давле- ние в селективном приемнике излучения не должно превышать 0,003—

3 1146 параметров состояния молекулярных газов, на фиг. 2 — устройство для реализации способа для газовых сред, содержащих молекулы с близко расположенными и перпекрывающимися колебательно- вращательными полосами.

Устройство содержит объектив 1, диафрагму 2, модулятор 3, линзу.4, набор светофильтров 5, селективные приемники б и 7 излучения, линзу 8, 10 неселективный приемник 9 излучения, регистратор 10 суммарной интенсив-. ности излучения от центральных участках д 1. линий, регистратор 11 сред1 ней спектральной интенсивности из- 15 лучения исследуемой среды в пределах полос пропускания светофильтров.

Излучение исследуемой среды фокусируется объективом 1 на диафрагму 2 и модулируется модулятором 3 — вра- 2О щающимся диском с отверстиями. Линза 4 формирует параллельный пучок излучения среды, просвечивающий кюветы селективных приемников 6 и 7 излучения. Прошедший через них пу- 25 чок фокусируется линзой 8 на приемную площадку неселективного приемника 9 излучения. Максимум пропускания светофильтров совпадают с максимумом излучения в области полос 30

Q - 0 и ширина полосы пропускания светофильтров выбирается такой, чтобы выделить набор спектральных линий, имеющих плоские вершины на участках с Ф () 10, характеризующиеся

35 поглощанием ()) = 1 и интенсивностью излучения, совпадающей с функцией Планка. Исследуемый газ, помещенный в кювету селективных приемников, имеет более узкий контур 40 спектральных линий с эквивалентными ширинами, находящимися в пределах

586 d

0,005 атм. Модулированный сигнал, вырабатываемый селективным приемником излучения, прямо пропорционален среднему значению функции Планка в пределах полосы пропускания светофильтра.

Неселективный приемник излучения поглощает суммарное излучение спектральных линий в пределах пропускания светофильтров и вырабатывает сигнал, пропорциональный 3„ . При смене светофильтров приемники излучения с подключенными к ним регистраторами фиксируют спектральные интенсивности излучения среды 3,„ и Э пос1У ледовательно в различных полосах исследуемых молекул. Обработка полученных значений интенсивностей излучения среды ведется с применением выражений (1) - (4), приведенных при описании известного способа определения параметров состояния молекулярных газов.

В устройстве (фиг. 1), предназначенном для диагностики активной среды электроразрядного СО -лазера, в котором наряду с рабочими молекулами СО и азотом присутствуют в небольших количествах СО, образовавшаяся в зоне разряда, в качестве селектнвных приемников излучения использованы оптико-акустичЕские приемники (ОАП) с кюветами диаметром

10 мм, длиной 145 мм, имеющие при оптимальной частоте модуляции f

120 Гц и постоянной времени t = 1 с порог чувствительности Ф,-„= 10 " Вт.

В кювете первого оптико-акусти- ческого приемника объемные содержаHHH KoMIIoHeHT СО CO H 0 21

0,8 и 99, а второго r = 25, со2

r< = 75 . Эквивалентные- ширины линий

z о в максимумах основных полос 00 О—

0Q 1 Ñ02 0 1 CO 9lф = 0 005 см1 а в полосе 00 0-1 О 1 СΠ— О, 007 см .

Оптические толщины в центрах линий исследуемой среды при Р, = 0,05 атм, толщине слоя 2 = 100 см достигают требуемого значения r(4,) = 10 в максимумах полос 00 0-00 1 и 00 0— t0 1 СО> при r o = 0,05 и 5,7%, а в полосе 0-1 СО,при r q, = 0,27, характеризующих нижний предел пог,лощающих масс, при которых может быть реализован:способ. При этом эквивалентные ширины линий в исследуемой среде на порядок выше, чем в кюветах приемников. Требование Щ к с .Й- 4 выполняется с 2-3-кратным запасом

1146586

В качестве неселективного приемника 9 излучения используется охлаждаемое фотосопротивление 3r > (77К) с размерами площадки 3.3 мм, Ф „=

= 10 " Вт, спектральная чувствительность которого постоянна в области пропускания светофильтров.

Объектив 1 и линзы 4,8 выполнены из флюорита и имеют световые диаметры 25 и 8 мм, фокусные расстояния 10

100 и.30 мм. Диафрагма 2 имеет диаметр 3 мм. Модулятор 3 модулирует излучение с частотой 120 Гц. В кассете установлен набор светофильтров с „, „= 4,25; 2,68; 4,59 мкм и . полушириной полосы пропускания

0 5 ьМ= 30 см ". Регистраторы 10, 11 сигналов включают в себя усилитель, детектор с низкоомным выходом и гальванометр светолучевого осцил- 20 лографа. Селективные оптико-акустические приемники 6 и 7 подключены к одному регистратору 10, а фотосопротивление — к другому регистратору 11. 25

В устройстве (фиг. 2), предназначенном для диагностики химико-газодинамического СО -лазера, работаю-. щего на смеси CS :СО:N2 с вдувом в сверхзвуковой поток N О, по каналу которого состав смеси непрерывно изменяется, используются те же самые объектив 1, диафрагма 2, модулятор 3, линза 4, селективные приемники 6.и 7 излучения, регистраторы 10 и 11, что и в устройстве, выполненном по схеме фиг. 1. Набор светофильтров 5 настроен на максимумы излучения в P-ветвях переходов

00 1-000 CO, N

6,5, 4,6 мкм и имеют полуширину

0,5 1 также равную 30 см . За светофильтрами установлено три полупрозрачных зеркала 12, разделяющих выходящий из линзы 4 параллельный пучок на три пучка. В каждом пучке установлены друг за другом по два селективных приемника излучения, наполненные смесями с водородом одного из исследуемых газов с перекрывающимися полосами, а именно

C+ N 0 и СО, а также CS, который может быть добавлен в любую пару селективных приемников с -СО, N О и СО, так как имеет близкую к. ним по интенсивности, но удаленную основную полосу. Первый ряд ОАП осуествляет прямое измерение фуйкции о анка среды J< (Т „, T ) для основных полос молекул. Молекулы с перекрывающимися полосами помещаются в различные оптико-акустические приемники, чтобы избежать их взаимного влияния. Второй ряд оптико-акустических приемников 7 (фиг. 2) так же, как и неселективный приемник 9 излучения в первом устройстве, осуществляет измерение средней спектральной интенсивности излучения среды у .

Ю

Замена фотосопротивления, обладающего постоянной чувствительностью в области пропускания светофильтров, набором селективных оптико-акустических приемников, наполненных смесями одного из исследуемых газов с водородом, обеспечивает измерение средних спектральных интенсивностей излучения Э „= а; Э,"„(Т „т }, поглощения среды,,, и в конечном итоге ° определение содержания молекул с близкорасположенными колебательно-вращательными полосами с высокой точностью до + 10X.

Благодаря тому, что определение параметров состояния молекул основано на измерении интенсивности собственного излучения среды, данный способ позволяет определятЬ параметры дистанционно и.для значительно большего числа типов колебательно-неравновесных разреженных сред.

Способ обепечивает также прямое измерение функции Планка с существенно более высокой точностью, чем известный. увеличение точности в два раза обусловлено тем, что отпадает необходимость в определении поглощения, учета соотношения формы молекулярных полос излучения среды и полос пропускания светофильтров и их взаимного расположения (еще в 1,5 раза), возможен корректный учет поглощения атмосферой (еще в 1,5 раза). Без принятия особых мер может быть достигнута точность определения функции Планка укаэанным слособом йЗХ, тогда как у известного способа она составляет 110 и i15X при наличии атмосферного поглощения.

Предлагаемый способ обеспечивает прямое определение запаса колебательной энергии с точностью в 3 раза

9 11465 более высокой, чем известный. Соответственно повышается точность определения колебательной температуры из функции Планка.

Погрешности определения среднего поглощения 6 молекулярных газов по предлагаемому способу в два раза ниже

I погрешностей определения интенсивности излучения, не зависят от величи,ны 5 „и составляют 167. Нижний 10 предел измеряемых 6„ и концентраций на два порядка меньше, чем у извест! ного способа it ограничивается величиной потока собственного излучения

86 10 исследуемой среды, .которая может быть зарегистрирована приемником. Связь между поглощением и содержанием молекулярных газов в среде определяется зависимостью, пропорциональной корню квадратному, в связи с чем ошибки определения содержания достигают +10X. Наибольший выигрыш в точности наблюдается на нижнем пределе измерений при .8 С0,2.

Погрешности определения N cocV тавляют +10 — 15X и также не зависят от величины среднего поглощения а 1.

1146586

Составитель Л.Сихович

Редактор С.Патрушева Техред Т.Дубинщк Корректор,A.Зимокосов ю А — %Ф

Заказ 1356/33 . Тирак 897 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г.Уагород, ул.Проектная, 4