Устройство для измерения показателя преломления отдельных сечений исследуемой среды при нестационарных процессах

Устройство может быть использовано для исследования быстропротекающих процессов в газах и других прозрачных средах, например в ударных волнах. Устройство содержит источник монохроматического излучения, два прозрачных плоскопараллельных окна, между которыми находится исследуемая среда, нож Фуко, регулируемую по ширине щель, перпендикулярную кромке ножа Фуко, фотоприемник, запоминающее устройство. Угол падения луча света на входное окно больше нуля. Кромка ножа Фуко расположена параллельно направлению движения неоднородности или градиенту изменения показателя преломления. По изменению сигнала фотоприемника судят об изменении оптических свойств исследуемой среды. Регистрируется смещение луча в направлении, перпендикулярном градиенту изменения показателя преломления, в зависимости от показателя преломления среды в сечении. Технический результат - возможность определения показателя преломления исследуемой среды в известном сечении устройства. 3 ил.

 

Изобретение относится к оптическим методам и приборам. В нашем рассмотрении основной измеряемой величиной является интенсивность светового луча, падающего на вход фотоприемника. Измеряемая величина зависит от коэффициента преломления среды, через который проходит луч, и поэтому мы можем определить изменения коэффициента преломления среды.

Мы рассматриваем случай, когда коэффициент преломления среды однороден в плоскости луча (см. рис.1) и меняется со временем. Такая ситуация, в частности, возникает, если фронт ударной волны плоский и параллелен плоскости рисунка 1, в которой лежит луч света.

Для случаев, когда показатель преломления меняется только по одной координате, разработан метод, описанный на стр.35 Книги «Теневые методы» Васильева Л.А. со ссылкой на источник: Ball G.A 5^th symposium (internal.) on combustion, 1954. New York, 1955, p.366.

При исследовании нестационарных процессов, в частности в ударных трубах, в которых объект резко меняет свои характеристики, необходимо развернуть процесс во времени, получать количественные данные в течение всего эксперимента. Схема метода с фотоэлектрической регистрацией сигнала описана на стр.61 Книги «Теневые методы» Васильева Л.А. со ссылкой на источник: Васильев Л.А., Галанин А.Г., Ершов И.В. Сунцов Г.Н. Приборы и техника эксперимента, т.V-VII №3, 195 (1964). В методе, описанном в этой статье, показывается, что угол отклонения света в плоских неоднородностях линейно связан с градиентом логарифма показателя преломления газа, и кромка ножа Фуко расположена перпендикулярно направлению движения неоднородности.

В статье «Experimental Investigation of Air Radiation from Behind a Strong Shock Wave» Jomal of Thermophysics and Heat Transfer Vol.16, No. 1 January-March 2002 (p.77-82), описывается устройство для обнаружения положения фронта ударной волны в ударной трубе, однако это устройство позволяет определить положение фронта с точностью не более 1,1 мм и не может дать информацию о тонкой структуре фронта ударной волны.

Задача изобретения - создание устройства для получения электрического сигнала, коррелированного с оптическим показателем преломления сечения исследуемой среды при нестационарных процессах.

Техническим результатом является возможность получения электрического сигнала, коррелированного с показателем преломления исследуемой среды 4, лежащей в плоскости рис.1.

Технический результат достигается за счет того, что в устройстве (рис.1), которой представляет собой источник света 1, два прозрачных плоскопараллельных и параллельных между собой окна 3 и 5, между которыми находится среда 4 с переменным во времени показателем преломления, нож Фуко 7, щель 8, перпендикулярная кромке ножа Фуко, регистратор света 9, запоминающее устройство 10, новым является то, что угол α₁ падения луча света на входное окно 3 больше нуля и что кромка ножа Фуко расположено параллельно направлению движения неоднородности.

На рис.1 представлена схема устройства и положение луча света в исходном состоянии.

В исходном состоянии среда слева от окна 3 однородна и имеет коэффициент преломления света n₁, окна 3 и 5 однородны, плоскопараллельны и имеют равные коэффициенты преломления света n₂, исследуемая среда 4 однородна и имеет коэффициент преломления света n₃, среда справа от окна 5 однородна и имеет коэффициент преломления света n₁. Входящий монохроматический однородный луч света 2 лежит в плоскости рисунка 1.

При этих условиях для углов падения и углов преломления луча справедливы соотношения

, ,

отсюда следует, что sinα₁=sinα₄, а следовательно, α₁=α₄ и поэтому выходящий луч параллелен входящему лучу.

Часть выходящего луча 6 по высоте задерживается ножом Фуко 7, а оставшаяся часть проходит дальше и падает на щель 8, которая ограничивает луч по ширине, затем луч попадает на фотоприемник 9 (например, ФЭУ), далее сигнал запоминается с помощью запоминающего устройства 10 (например, осциллограф). Кромку ножа Фуко обычно устанавливается в положение, при котором нож задерживает половину выходящего луча.

Все углы отклонения можно выразить через параметры устройства и величину угла падения α₁:

$${\alpha }_2=\arcsin (\frac{n_1}{n_3}\cdot \sin {\alpha }_1))$$ ,

Выходящий луч имеет параллельное смещение в плоскости рис.1 относительно входящего луча. Величина этого смещения зависит от n₂, толщины l окон, n₃ и расстояния L между внутренними поверхностями окон. Вычислим вклад в это смещение, которое дает среда 4. Отклонение от перпендикуляра к поверхности окна, даваемое средой 4: $$\Delta y_1=L\cdot tg\left({\alpha }_2\right)\Rightarrow \Delta y_1=L\cdot tg(\cdot \arcsin (\frac{n_1}{n_3}\cdot \sin {\alpha }_1))$$

Смещение от перпендикуляра к поверхности окна, даваемое выходным окном:

$$\Delta y_2=l\cdot tg\left({\alpha }_3\right)\Rightarrow \Delta y_2=l\cdot tg\left(\arcsin \left(\frac{n_1}{n_3}\cdot \sin {\alpha }_1\right)\right)$$ ,

является константой при постоянном α₁.

Полное смещение выходящего луча относительно входящего, при условии, что толщина входного и выходного окна равны:

$$\Delta y=\Delta y_1+2\cdot \Delta y_2\Rightarrow \Delta y=L\cdot tg(\cdot \arcsin (\frac{n_1}{n_3}\cdot \sin {\alpha }_1))$$

$$\Delta y=L\cdot tg(\cdot \arcsin (\frac{n_1}{n_3}\cdot \sin {\alpha }_1))+2\cdot l\cdot tg\left(\arcsin \left(\frac{n_1}{n_3}\cdot \sin {\alpha }_1\right)\right)$$ .

Смещение луча, зависящее от изменения n₃, определяется первым слагаемым, второе слагаемое необходимо учитывать при конструировании установки. Таким образом, зависимость смещения луча от n₃ определяется выражением:

$$\Delta y=L\cdot tg(\cdot \arcsin (\frac{n_1}{n_3}\cdot \sin {\alpha }_1))$$

На рис.2 показан вид сверху на схему устройства и движение луча света.

На рис.3 показано положение луча при увеличении n₃ - коэффициента преломления исследуемой среды 4. В этом случае уменьшился угол α₂ отклонения луча в среде 4 и большая часть луча задержалась ножом Фуко.

В общем случае, при смещении луча нож Фуко будет задерживать большую или меньшую часть луча, и таким образом сигнал фотоприемника будет коррелировать с изменением показателя преломления исследуемой среды 4. Изменяя ширину щели, можно регулировать толщину слоя исследуемого вещества, из которого поступает свет в фотоприемник.

Для малых углов α₁ имеем: α₁≈sinα₁≈tgα₁,

поэтому

$$\Delta y=L\cdot tg(\cdot \arcsin (\frac{n_1}{n_3}\cdot \sin {\alpha }_1))\approx L\cdot {\alpha }_1\cdot \frac{n_1}{n_3}$$ .

При изменении n₃ от n₃₁ до n₃₂ изменение Δy будет:

$$\Delta y_1-\Delta y_2=L{\alpha }_1\frac{n_1}{n_{31}}-L{\alpha }_1\frac{n_1}{n_{32}}=L{\alpha }_1\cdot n_1\left(\frac{n_{32}-n_{31}}{n_{31}\cdot n_{32}}\right)$$ ,

и если относительное изменение n₃ мало, можем записать:

Приведенные выше соотношения показывают, что существует корреляция между сигналом фотоприемника и изменением показателя преломления в среде.

Заявляемое устройство отличается четырьмя отличительными признаками, влияющими на достижение технического результата.

Первый - щель фотоприемника располагается перпендикулярно градиенту показателя преломления исследуемой среды.

Второй - кромка ножа Фуко расположено параллельно градиенту показателя преломления исследуемой среды.

Третий - смещение луча зависит не от градиента показателя преломления, а от показателя преломления исследуемой среды.

Четвертый - устройство очень простое в изготовлении и наладке.

Устройство для измерения показателя преломления отдельных сечений исследуемой среды содержит источник монохроматического излучения, два прозрачных плоскопараллельных окна, между которыми находится исследуемая среда, нож Фуко, регулируемую по ширине щель, перпендикулярную кромке ножа Фуко, фотоприемник, запоминающее устройство, отличающееся тем, что угол падения луча света на входное окно больше нуля и кромка ножа Фуко расположена параллельно направлению движения неоднородности или градиенту изменения показателя преломления.