Способ определения локализации ионизации газа Российский патент 2023 года по МПК G01M9/02 

Способ относится к области экспериментальной аэротермодинамики, в частности к лабораторным ударным трубам кратковременного действия, обеспечивающим моделирование условий полета летательных аппаратов, возникновение и развитие ударных волн. Ударная труба содержит последовательно связанные между собой камеры высокого давления, средство перекрытия канала и камеру низкого давления в виде цилиндрического канала, в котором последовательно размещены датчики давления, в плоскости одного из которых имеется смотровое окно, против которого снаружи ударной трубы расположен фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). Сигналы датчиков давлений и ФЭУ через аналого-цифровые преобразователи отображаются в компьютере.

При контактном разрыве между камерами высокого и низкого давлений образуется ударная волна, которая «бежит» по каналу низкого давления, тормозится у ее торца (падающая ударная волна), затем отражается (отраженная ударная волна) от торца, при этом возникает пробка высокого давления и температуры, аэротермодинамические параметры в которой квазипостоянны. За ударной волной следует контактная поверхность с меньшей, чем у ударной волны скоростью. При ее торможении давление в пробке возрастает, достигая максимума до прихода волны разрежения. При задании разных давлений в камерах высокого и низкого давлений, давление, температура, скорости потока различные.

При больших скоростях ударной волны в ее фронте возникает эмиссия электронов, характеризующаяся свечением газа (первичная эмиссия). Свечение газа может быть не во фронте бегущей ударной волны, а в пробке нагретого при торможении газа: в отраженной ударной волне, или при подошедшей контактной поверхности (вторичные эмиссии). В смотровом окне можно видеть свечение газа, регистрируемое фотоэлектронным умножителем (ФЭУ).

Исследования эмиссионных процессов в ударных волнах имеют практическое применение. Например, при спуске космических аппаратов, полете высокоскоростных летательных объектов. Поэтому в лабораторных условиях необходимо различать эмиссию электронов во фронте ударной волны на высоких скоростях (толщина которых от 2 до 8 длин свободного пробега молекул) или вызванную повышением давления и температуры нагретой пробки. Необходимую энергию для отрыва электрона от атома дают столкновения вследствие повышения температуры.

Известна работа [1], в которой ионизация экспериментально выявлена при добавлении в канал низкого давления тяжелого газа на основе молибдена, который обеспечивает и высокую плотность во фронте ударной волны и светимость да счет выбивании электронов из тяжелых частиц. Скорость фронта ударной волны измерялась по четырем пьезодатчикам, расположенным в разных сечениях вблизи торца ударной трубы.

Все измерения были проведены в падающих ударных волнах в диапазоне чисел Маха М=(2,5–3,4), Проводились измерения излучательных и электрофизических свойств фронта ударной волны. В диэлектрический торец ударной трубы был закреплен игольчатый зонд особой конструкции, иголки которого были параллельны друг другу. Установлено, что максимальная величина проводимости увеличивается как квадрат концентрации Мо(СО). Определен эффективный порог процесса появления зарядов во фронте ударной волны, который составил (1.35±0.15) эВ. Предложен механизм, рассматривающий разделения зарядов во фронте УВ и "горячего" крыла функции распределения энергии парных соударений.

Данный способ сложен. Начало ионизации определяется не за один, а за несколько экспериментов, вдвигая электроды (зонд Ленгмюра) навстречу потоку, пока он не попадет в начало свечения. Для разных заданных режимов давлений начало свечений будет в разное время. Без присадки примесей тяжелых газов при скоростях М=3,5 фронт ударной волны светиться не будет. Светимость из-за присадки Мо(СО), не отражает естественные процессы. С помощью зонда можно узнать электронную температуру и концентрацию электронов, но не место в камере низкого давления, где газ начал светиться. Свечение тяжелого газа на основе молибдена ищется с помощью фиксации его длины волны монохроматором. Таким образом, недостатком способа является невозможность измерения первичной ионизации газа в бегущей ударной волне. Невозможно определить места в канале низкого давления, где газ начинает светиться, что мешает однозначно определить расстояние, на которое надо ввести зонды.

Известен [2] способ транспортировки ионных потоков в источниках ионов с ионизацией при атмосферном давлении для хромато-масс-спектрометров ГХ-МС. Он основан на формировании газовой, транспортирующей струи, коаксиально обдувающей область образования ионов закрученной вихревой струей с образованием объемного закрученного потока с осевым течением и дополнительного газового потока, формирующего вихревую пробоотборную струю в виде составного вихря, фокусирующего ионы на оси пробоотборного потока в центре вихревого ядра, при этом область ионизации потока парогазовой пробы, выходящей из прогреваемого капилляра хроматографа, коаксиально обдувается ламинарным потоком азота при нормальных условиях, при этом линейные скорости потока парогазовой пробы и азота равны, а суммарный поток превышает поток, отбираемый в интерфейс прибора.

Недостаток устройства в том, что источник ионов вставляется в газовый поток. Самостоятельное образование ионизации во фронте ударной волны, регистрация времени и расстояния возникновения ионизации не определяются.

В способе [3] осуществляется анализ примесей в газовых смесях при их напуске в виде внеосевого сверхзвукового газового потока через источник электронной ионизации и радиочастотный квадруполь с последующим выводом ионов в масс-анализатор. Поток газа получают на выходе одного или нескольких каналов с направлениями, отклоняющимися от оси упомянутой ловушки так, что плотность газа в потоке около упомянутой оси не превышала средней плотности остаточных газов в упомянутой ловушке. Подбором постоянных, переменных и импульсных электрических полей внутри упомянутой ловушки с учетом возможного влияния ионов буферного газа, сфокусированных вблизи оси ловушки, организуют движение анализируемых ионов вдоль оси и в направлениях, ортогональных оси, с различными скоростями, частотами и на различных удалениях от оси и/или образованием ионов из анализируемых соединений за счет перезарядки на ионах буферного газа, и/или динамической локализацией анализируемых ионов в среднем в определенных местах вдоль оси ловушки с некоторым средним удалением от упомянутой оси, так чтобы регистрировались сигналы, пропорциональные числу выбранных из анализируемых ионов в ловушке, пропорциональные диффузионному потоку выбранных ионов, постепенно поступающих на детектор с характеристическими временами, специфичными при данных условиях измерений для ионов с различными сечениями столкновений с атомами и/или молекулами буферного газа, и/или отличающихся в разных зарядовых состояниях, и/или различающихся по степени устойчивости к мономолекулярному распаду, вызванному столкновениями с атомами и/или молекулами буферного газа, в том числе с метастабильно возбужденными, плотность которых в потоке газа может изменяться контролируемым образом изменением потока и энергии электронов в источнике электронной ионизации.

Недостатком данного способа является то, что сверхзвуковой газовый поток пропускают через источник электронной ионизации и первичная ионизация электронов во фронте ударной волны не регистрируется. Также в способе отсутствует сравнение по времени сигналов фотоэлектронных сигналов с сигналами датчиков давления.

Способ определения абсолютной чувствительности вакуумных ионизационных приборов к потоку газа [4] осуществляется путем подачи газа в калибруемый прибор из объема напуска через натекатель, отсекают газ, находящийся в объеме напуска, от общего объема газа, пропускают через калибруемый прибор известное количество газа, одновременно измеряют интеграл величины соответствующего ионного тока по времени прохождения газа из объема напуска через калибруемый прибор и определяют абсолютную чувствительность, используя абсолютную величину ионного тока в момент времени определения величины.

Данный способ предназначен для работы течеискателей, где малый отбор газа из вакуумного блока пропускают через масс-спектрометр, и использовать его для быстрых и мощных процессов, таких, как высокоскоростная ударная волна, невозможно.

Способ [5] измерения скорости и размеров частиц в потоке предусматривает формирование в исследуемой области потока зондирующего поля с известной пространственно-временной структурой и формирование оптического сигнала, содержащего изображение рассеивающей частицы. Оптический сигнал пространственно разделяют на два, в одном из которых выполняют обращение изображения частицы и рекомбинируют прямой и обращенный оптические сигналы. Рекомбинированный оптический сигнал пространственно разделяют на два, в одном из которых обращенный и прямой оптические сигналы находятся в фазе, а в другом - в противофазе. Затем выполняют фотоэлектрическое преобразование синфазных и противофазных оптических сигналов, вычитают фотоэлектрические сигналы, соответствующие синфазному и противофазному оптическим сигналам, измеряют длительность радиоимпульсов в результирующем дифференциальном электрическом сигнале и скорость частицы. Размер последней определяют путем умножения длительности радиоимпульсов на половину измеренного значения скорости, что позволяет с высокой точностью, наряду с измерением скорости, контролировать линейные размеры частиц в потоке с расширением динамического диапазона измерений.

В данном способе измеряется оптический сигнал с помощью ФЭУ, однако его разделяют на два противофазных и сравнивают их в противофазе и с пространственно-временной структурой, сформированной лазером, определяя размеры частиц. Способ не может измерить начало ионизации электронов во фронте ударной волны.

Устройство [6] для анализа потока текучей среды в трубе содержит по меньшей мере один источник излучения, предназначенный для направления излучения сквозь поток. Источник или источники испускают излучение по меньшей мере на двух уровнях. Один или каждый детектор подает сигнал на процессорное средство, предназначенное для обработки сигнала, с целью создания рядов размещенных в хронологической последовательности значений, группирования значений по величине.

Данное устройство изначально содержит источник излучения. Оно предназначено для определения состава и расхода потока текущей среды бытового назначения и предусмотрено для ударных труб.

Ионно-меточный измеритель [7] скорости воздушного потока, содержащий измерительный преобразователь, включающий в себя разрядник генератора ионных меток, подключенный к генератору высоковольтных импульсов, вход которого соединен с блоком обработки сигнала, электроды регистратора меток, измерительный преобразователь состоит из двух одинаковых, скрепленных между собой узлов, имеющих форму диска, отстоящих друг от друга, образуя между собой проточный канал, и обращенных рабочей поверхностью друг к другу, при этом каждый узел на рабочей поверхности содержит электрод регистратора меток, расположенный вдоль окружности, центр которого находится в точке размещения разрядника генератора ионных меток, а электроды регистратора меток обоих узлов через усилители связаны с сумматором, выход которого подключен к блоку обработки сигнала.

Недостатком способа является невозможность измерения первичной ионизации газа в бегущей ударной волне.

Наиболее близким к реализации заявляемого способа является техническое решение «Ударная труба» [8], содержащая последовательно соединенные между собой камеру высокого давления, цилиндрический канал, средство перекрытия канала, установленное между камерой высокого давления и цилиндрическим каналом, а также систему наполнения газом камеры высокого давления, систему вакуумной откачки и датчики динамического давления, установленные на внутренней стороне цилиндрического канала, соединенные с регистрирующей аппаратурой, на наружной поверхности цилиндрического канала, в одной плоскости, перпендикулярной продольной оси трубы, с датчиками динамического давления, размещенными на внутренней стороне цилиндрического канала, установлены дополнительные датчики динамического давления, соединенные с регистрирующей аппаратурой. Средство перекрытия канала срабатывает и ударная волна распространяется по цилиндрическому каналу к входу в сопло. Датчики динамического давления, расположенные внутри цилиндрического канала и датчики снаружи него, регистрируют прохождение ударной волны. Амплитуды сигналов всех датчиков в текущем времени с высокой частотой регистрируются через АЦП в компьютер, образуя базу данных. В каждой строке с фиксированным временем получены значения амплитуд датчиков динамического давления внутренних и наружных, расположенных в одной плоскости, которые вычитаются, а их разность является уточненным значением динамического давления ударной волны, проходящей через плоскость, перпендикулярную продольной оси трубы в данный момент времени.

Недостатком способа является невозможность измерения первичной ионизации газа в бегущей ударной волне.

Задачей настоящего изобретения является расширение технологических возможностей, а именно - осуществление возможности определения в ударной трубе начала ионизации газа в ударной волне.

Если начало ионизации наступает до отражения ударной волны от торца трубы, то это первичная ионизация. Если после отражения (пробка) – вторичная ионизация. При известном расстоянии датчиков от торца трубы и времени регистрации ионизации, определяется расстояние начала ионизации.

Экспериментальное определение первичной или вторичной ионизации ударной волны позволит правильно классифицировать ионизацию для теоретического моделирования процессов. Определение расстояния возникновения ионизации позволит за один эксперимент определить место для расположения электродов (зонда Ленгмюра) в камере низкого давления.

Способ определения локализации ионизации газа в скоростном потоке в ударной трубе заключается в измерении сигналов датчиков давления перед торцом и фотоэлектронного умножителя, установленного в одной плоскости с датчиком давления,

при этом локализация первичной ионизации в ударной волне определяется по времени срабатыванию фотоэлектронного умножителя до, а вторичная ионизация после отраженной ударной волны в торце, а место ионизации определяется по произведению скорости ударной волны, измеренной по известному расстоянию между датчиками давления и временем прохождения ударной волны, и времени между сигналами фотоэлектронного умножителя и торцевого датчика давления:

,

где L, t - расстояние и время, соответственно, n - последний датчик у торца ударной волны, - время регистрации сигнала фотоэлектронного умножителя.

Ударная труба для осуществления способа состоит из камер высокого и низкого давлений, датчиков давления, установленных на внутренней стороне камеры низкого давления и соединенных с регистрирующей аппаратурой. В продольной стенке ударной трубы, ближней к ее торцу установлено смотровое окно в одной плоскости с датчиком давления, а снаружи ударной трубы перед смотровым окном размещен фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), подключенный к регистрирующей аппаратуре.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами.

На фиг. 1 представлена схема ударной трубы.

На фиг. 2 приведен пример свечения газа.

На фиг. 3 показаны графики регистрации ФЭУ и датчиков давления, ближайших к торцу ударной трубы при разных режимах:

3 а – график при числе Маха М=3;

3 б – график при числе Маха М=4,4.

Ударная труба состоит из камеры высокого давления 1, камеры низкого давления 2,

датчиков давления 3,4,5; регистрирующей аппаратуры 6, смотрового окна 7, фотоэлектронного умножителя 8.

Реализация способа заключается в измерении времени сигналов датчиков давления 3, 4, 5 и фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) 8 при прохождении мимо них ударной волны. Анализ графиков локализации показывает, что первичная ионизация в ударной волне определяется по опережающему срабатыванию фотоэлектронного умножителя, если сигнал фотоэлектронного умножителя регистрируется во время отраженной ударной волны, то определяется вторичная ионизация. При первичной ионизации фронта ударной волны всплеск сигнала ФЭУ пришелся бы на области падающей ударной волны, т.е. первых «полочек» в сигналах датчиков 3,4, или между 4 и 5. Если начало ионизации произойдет после сигнала датчика 5 на участках отраженной ударной волны (нагретой пробки повышенного давления), то ионизация может считаться вторичной.

Расстояние между датчиками давления, например, 3 и 4; 4 и 5, известны: L_n-1 и L_n, где n - последний датчик, 5 - датчик у торца ударной трубы. Время регистрации падающей ударной волны t_n-1 и t_n, соответственно. Скорость ударной волны вычисляется по расстоянию и времени преодоления этого расстояния ударной волной. За время регистрации сигнала фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) расстояние начала ионизации от торца ударной трубы составляет:

Таким образом, определено расстояние, на которое надо вводить зонды для исследования ионизации, которое отсчитывается от торца ударной трубы.

Приведем пример.

1. Для фиг. 3б при прохождении ударной волны расстояния 100 мм между датчиками 4 и 5 за 0,068 мс и сигнала ФЭУ, зарегистрированного на временном расстоянии 0,2 мс от торца ударной трубы, получим:

Знак минус показывает направление от торца. Зонд надо вводить на расстояние 28,6 см.

2. Для фиг. 3а, где скорость ударной волны меньше, получим:

При этом зонд вводится на меньшую дистанцию, 7 см.

Технический эффект заключается в определении типа ионизации первичной во фронте ударной волны или вторичной, обусловленной нагревом, увеличением плотности давления в пробке торможения ударной волны. Также предлагаемый способ позволяет однозначно определить расстояние от торца ударной трубы для введения зонда, вместо многих проб попадания в ядро ионизации.

Список использованных источников

[1] Зиборов В.С. и др. Эффект ионизации во фронте слабой ударной волны, распространяющейся в инертном газе, разбавленном малой концентрацией Мо(СО)6, Письма в ЖЭТФ, 2007, том 86, выпуск 3, 211–215. https://www.mathnet.ru/links/1911eaa555a4c20adf63cbf7bd96abe5/jetpl817.pdf

[2] Патент ИЗ 2584272 «Способ транспортировки ионных потоков в источниках ионов с ионизацией при атмосферном давлении для хромато-масс-спектрометров ГХ-МС».

[3] Патент ИЗ 2576673 «Способ анализа примесей в газовых смесях при их напуске в виде внеосевого сверхзвукового газового потока через источник электронной ионизации и радиочастотный квадруполь с последующим выводом ионов в масс-анализатор».

[4] Патент ПМ 754300 «Способ определения абсолютной чувствительности вакуумных ионизационных приборов к потоку газа».

[5] Патент ИЗ 2029307 «Способ измерения скорости и размеров частиц в потоке».

[6] Патент ИЗ 2145708 «Устройство для анализа потока текучей среды в трубе».

[7] Патент ИЗ 209331 «Ионно-меточный измеритель скорости воздушного потока».

[8] Патент ПМ 180405 «Ударная труба».

Изобретение относится к области экспериментальной аэротермодинамики. Ударная труба содержит последовательно связанные между собой камеры высокого давления, средство перекрытия канала и камеру низкого давления в виде цилиндрического канала, в котором последовательно размещены датчики давления, в плоскости одного из которых имеется смотровое окно, против которого снаружи ударной трубы расположен фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). Сигналы датчиков давлений и ФЭУ через аналого-цифровые преобразователи отображаются в компьютере. Технический результат – определение в ударной трубе начала ионизации газа в ударной волне. 3 ил.

Способ определения локализации ионизации газа в скоростном потоке в ударной трубе, заключающийся в измерении сигналов датчиков давления перед торцом и фотоэлектронного умножителя, установленного в одной плоскости с датчиком давления,

отличающийся тем, что локализация первичной ионизации в ударной волне определяется по срабатыванию фотоэлектронного умножителя до, а вторичная ионизация после отраженной ударной волны в торце, а место ионизации определяется по произведению скорости ударной волны, измеренной по известному расстоянию между датчиками давления и временем прохождения ударной волны, и времени между сигналами фотоэлектронного умножителя и торцевого датчика давления:

где L, t - расстояние и время, соответственно, n - последний датчик у торца ударной волны, - время регистрации сигнала фотоэлектронного умножителя.