Способ измерения параметров отражающей поверхности в быстропротекающих процессах

 

Изобретение относится к технике регистрации быстропротекающих процессов в экспериментальной физике, в частности к способам измерений параметров фронтов пламени, ударной и/или детонационной волны. Способ включает подачу на поверхность зондирующего электромагнитного и регистрацию отраженного излучений. Новым в способе является: регистрация теплового излучения поверхности, преобразование параметров отраженного и теплового излучений поверхности посредством криогенных детекторов на основе переходов Джозефсона в напряжения и усиление их ими. По изменениям напряжений судят о скорости перемещения поверхности и/или коэффициенте излучения и температуре поверхности. При этом зондирующим излучением служит излучение СВЧ-диапазона. Технический результат - повышение точности и информативности измерений, упрощение расшифровки сигналов, снижение требований к генератору зондирующего излучения, расширение функциональных возможностей - диагностика реальных поверхностей (в том числе измерение коэффициента излучения и температуры поверхности). 1 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к технике регистрации быстропротекающих процессов, в частности, к способам измерения параметров фронтов пламени ударной и/или детонационной волны в химической физике, в том числе в физике горения и взрыва.

Уровень техники Известен оптический метод измерения скорости движения отражающей лазерный луч поверхности [1].

На поверхность, скорость которой необходимо измерить, направляют лазерный пучок. Отраженный пучок направляют в интерферометр Фабри-Перо. Задача состоит в определении частоты отраженного пучка в функции скорости движения мишени и углов падения и отражения при известной частоте падающего лазерного пучка. Интерферометр регистрирует изменения положения интерференционных колец во времени с помощью фотохроногрофа.

Оптический метод измерения температуры поверхности путем регистрации ее теплового излучения описан в [2]. Исследуется тепловое излучение, испущенное излучаемой поверхностью. В данном методе поверхность находится 5 контакте с позолоченным полусферическим зеркалом (при этом коэффициент излучения системы поверхность - зеркало становится близким к единице). В качестве детектора используется кремниевый фотоэлемент.

Недостаток всех оптических методов связан с невозможностью измерения параметров (скорости, температуры и т.д.) отражающей поверхности, закрытой от регистрирующих приборов непрозрачным для света экраном.

Известен способ измерения скорости движения отражающей поверхности, включающий облучение поверхности электромагнитным излучением и регистрацию отраженного излучения [3] . Регистрацию отраженного излучения осуществляют посредством интерферометра, в котором происходит интерференционное сложение излучений, отраженного от движущейся границы с исходным зондирующим излучением. Мерой скорости границы является частота доплеровского смещения f_д: где λ_з - длина волны зондирующего излучения в рассматриваемой среде; V - скорость движения границы; ϕ - разность фаз отраженного и зондирующего излучений.

Недостаток известного способа связан с относительно большим минимальным разрешением его по перемещению и, соответственно, по времени. Так, при регистрации половины периода доплеровского смещения предельное разрешение способа по перемещению составляет λ_з/4, т.е. при λ_з=8 мм - 2 мм. Кроме того, при измерениях возникают проблемы, связанные с недостаточной мощностью отраженного излучения и расшифровкой полезного сигнала [4]. Последний из описанных способов, как наиболее близкий по технической сущности, выбран в качестве прототипа.

Сущность изобретения Техническая задача - уменьшение минимального разрешения и регистрация других параметров: коэффициента излучения поверхности и ее температуры в быстропротекающих процессах.

Технический результат - повышение точности (минимальное разрешение по перемещению составляет <0,1 мм при λ_{з з}=8 мм) и информативности измерений, упрощение расшифровки сигналов (напряжений), а также расширение функциональных возможностей - диагностика параметров реальных поверхностей, снижение требований к генератору зондирующего излучения, измерения коэффициента излучения и температуры.

Это достигается тем, что в известном способе измерения параметров отражающей поверхности в быстропротекающих процессах, включающем облучение поверхности зондирующим излучением и регистрацию отраженного электромагнитного излучения, отраженное излучение, а также тепловое излучение поверхности преобразуют посредством криогенных детекторов на основе переходов Джозефсона в напряжения, усиливают их с помощью таких же криодетекторов, регистрируют усиленные напряжения, и по ним определяют скорость перемещения и/или коэффициент излучения и температуру поверхности. При этом зондирующим излучением служит когерентное излучение СВЧ-диапазона.

С середины 1960 гг. криогенные детекторы на основе джозефсоновских переходов (ДП) нашли применение в физике, метрологии, медицине и т.д. в качестве сверхчувствительных детекторов электромагнитного поля, позволяющих, например, регистрировать: 1) магнитное поле ~10^-14 Тл/Гц^{1/ 2}; 2) мощность электромагнитного излучения ~10^-15 Вт/Гц^{1/ 2}; 3) напряжение ~10^-15 В/Гц^{1/ 2}; т.е. 10^-12 В в полосе частот ~10⁶ Гц [5, 6].

Так как на ДП выполняется 1-е соотношение Джозефсона
f = 2e•V/ћ,
где f - частота излучения;
V - напряжение на ДП;
е - заряд электрона;
ћ - постоянная Планка,
не зависящее от типа перехода, материала электродов, мощности и частоты слабого СВЧ-сигнала, можно использовать ДП в качестве преобразователя частоты в напряжение:
V≈f/483,6 МГц/мкВ.

При измерении скорости движения поверхности отраженное от нее электромагнитное излучение, например, с частотой f₀=35 ГГц (λ_з=8 мм) попадает на точечный ДП, предварительно настроенный на эту частоту. Напряжение на ДП составляет при этом

При движении границы со скоростью U~10³ м/с частота отраженного излучения из-за эффекта Доплера увеличивается примерно на 10^-3%

где C - скорость света в вакууме;
ε - диэлектрическая проницаемость среды перед поверхностью.

При ε=2-3 получим Соответственно, V возрастает на ΔV~10^-9 В.

Это изменение напряжения регистрируется с помощью следующего детектора на ДП, исполняющего функцию вольтметра с чувствительностью ~10^-15 В/Гц^{1/ 2}. Для данной полосы частот Δf~ 35•10⁴ Гц минимальное измеряемое напряжение составляет ~6•10^-13 В, что означает возможность измерения ΔV соответственно U с точностью не хуже ~1%. При этом минимальное разрешение перемещения поверхности становится не зависящим от длины волны зондирующего излучения и определяется временным разрешением канала регистрации. Кроме того, отсутствуют проблемы, связанные с недостаточной мощностью отраженного излучения и расшифровкой полезного сигнала [4].

При измерении температуры поверхности криодетектор на основе ДП используется в качестве квадратичного приемника СВЧ-излучения, непосредственно измеряющего его мощность (преобразующего мощность излучения в напряжение) [5]. Регистрируется тепловое излучение поверхности, например фронта пламени, ударной и/или детонационной волны в диапазоне СВЧ, где выполняется закон Рэлея-Джинса [7]

где Е - спектральная плотность излучения черного тела;
λ - длина волны;
C₁=5,9•10^-17 Вт•м²;
С₂=1,44•10^-2 м•К.

Пусть регистрация производится в диапазоне длин волн λ=1-3 мм, т.е. в диапазоне частот f= (1-3)•10² ГГц. При Т~10³ К мощность излучения с части поверхности площадью S~3•10^-3 м² будет

При пороговой чувствительности приемника ~10^-14 Вт/Гц^{1/ 2} и данной полосе частот f~10² ГГц минимальная измеряемая мощность равна W~4,5•10^-9 Вт. Таким образом, запас чувствительности приемника позволяет не заботиться о потерях мощности излучения при передаче и о пониженной излучательной способности поверхности с эффективным коэфицентом излучения в диапазоне частот регистрации меньшим 1 (нечерное тело).

В данном случае амплитуда полезного сигнала, усиленного с помощью ДП, так же, как и при измерении скорости, будет прямо пропорциональна измеряемой величине ΔV~W~∈•T. Для измерения температуры необходимо определить коэффицент излучения ∈ = 1-λ, где λ - коэффицент отражения поверхности.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом. На отражающую поверхность (пластины, оболочки, фронта ударной (детонационной) волны, являющуюся границей раздела с радиопрозрачной средой (вакуумом, газом, диэлектриком, взрывчатым веществом), подают зондирующее излучение СВЧ-диапазона. Регистрируют излучение поверхности на 3-х каналах регистрации: на 1-м и 2-м каналах - отраженное и тепловое излучения с одного участка поверхности, на 3-м канале регистрируют тепловое излучение с другого участка поверхности. При этом в каждом канале осуществляют преобразование параметров излучений в напряжения посредством криогенных детекторов на основе джозефсоновских переходов, усиливают их ими и на 1-м канале преобразуют частоту в напряжение и регистрируют скорость перемещения поверхности, по данным 2-го и 3-го каналов, на которых преобразуют мощности в напряжения, определяют коэффицент отражения поверхности, по нему коэфицент излучения и температуру поверхности (предполагаем, что коэффицент пропускания равен нулю). Предполагаем, что частота (распределение частот) зондирующего излучения находится внутри диапазона частот регистрации теплового излучения.

Перед измерением проводится калибровка каналов регистрации, в частности измеряется мощность излучения, отраженного от поверхности с известным коэффицентом излучения. Таким образом, в предлагаемом способе оказываются возможными одновременное измерение скорости (на 1-м канале), коэффицента излучения и температуры (на 2-м и 3-м каналах). Ввиду малых размеров криодетекторов ~ 1 мм все 3 канала регистрации могут быть размещены в одном криостате, заполненном жидким гелием.

При работе на частотах ~10⁹-10¹² Гц требуемое отношение сигнал/шум >10³ обеспечивается благодаря пренебрежимо малых собственным шумам криодетекторов; практическому отсутствию технического, атмосферного и галактического шумов [8]; применению стандартных радиотехнических средств подавления помех. Предлагаемый способ найдет применение в экспериментальной физике, в частности для определения скорости распространения, температуры и формы (в случае многоканальной регистрации) фронтов ударных и детонационных волн.

Источники информации
1. Макмиллан, Гусман, Паркер и др. Применение интерферометра Фабри-Перо для измерения скорости движения поверхности // Приборы для научных исследований, 1988, 1, с.3-28.

2. Т.Куинн. Температура. - М.: Мир, 1985, с.309-393.

3. Б.Кох. Радиоэлектрические методы исследования быстропротекающих процессов. В кн.: Физика быстропротекающих процессов, т.1. - М.: Мир, 1971, с. 382-462 - прототип.

4. С. В. Баталов, В.П.Филин, В.В.Шапошников. Радиоволновый метод исследования физических явлений в и химических превращений в гетерогенных ВВ под действием УВ // ФГВ, 1991, т.27, 6, с.107-109.

5. А.Ф.Волков, Н.В.Заварицкий, Ф.Я.Надь. Электронные устройства на основе слабосвязанных сверхпроводников. - М.: Советское радио, 1978.

6. Слабая сверхпроводимость. Квантовые интерферрометры и их применение / Под ред. Б.Б.Шварца и С.Фонера. - М.: Мир, 1980.

7. Г.Эберт. Краткий справочник по физике. - М.: Физматгиз, 1963, с.325.

8. Э. Ред. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике. - М.: Мир, 1990, с.78.

Формула изобретения

1. Способ измерения параметров отражающей поверхности в быстропротекающих процессах, включающий подачу на нее зондирующего электромагнитного излучения и регистрацию отраженного, отличающийся тем, что дополнительно регистрируют тепловое излучение поверхности, параметры отраженного и теплового излучения преобразуют посредством криогенных детекторов на основе переходов Джозефсона в напряжения, усиливают их с помощью таких же криодетекторов, регистрируют усиленные напряжения и по ним определяют скорость перемещения и/или коэффициент излучения и температуру поверхности.

2. Способ измерения параметров отражающей поверхности в быстропротекающих процессах по п.1, отличающийся тем, что зондирующим излучением служит излучение СВЧ-диапазона.