Устройство для измерения времени релаксации в газообразных средах Советский патент 1992 года по МПК G01N21/61 

Изобретение относится к молекулярной физике и спектроскопии и может быть использовано для определения скоростей и констант колебательно-поступательного и электронно-поступательного обмена знергией в газообразных средах.

Известны оптико-акустические устройства для измерения времени колебательновращательной релаксации (гут) в газообразной среде. Имеется устройство для измерения TVT по фазовому сдвигу между световым сигналом и акустической волной в замкнутом объеме. Устройство включает источник оптического излучения, систему регистрации импульса света, оптико-акустический приемник (ОАП), систему измерения смещения фаз сигналов источнию о о VJ

ка и ОАП, систему регулирования и измерения параметров исследуемой среды.

Недостаток устройства - сравнительно большая инерционность ОАП, не позволяющая измерять TVT « 1 мс.

00

Ближайшим техническим решением является устройство для измерения времени релаксации в газообразных средах, содержащее последовательно расположенные источник оптического излучения, оптикоакустический приемник, вакуумную систему для приготовления, регулирования и измерения давления газа.

Недостатки устройства связаны вопервых, с использованием многоходовой вакуумной кюветы, так как это не позволяет измерять козффициенты поглощения ела.бых линий и, тем самым, fvi для слабых линий; во-вторых, с проведением измерений при разных давлениях, в результате чего точность снижается из-за изменения механических свойств мембраны оптикоакустического приемника, Цель изобретения - увеличение точности измерений и расширения диапазона измерений. Поставленная цель достигается тем, что устройство для измерения времени релаксации в газообразных средах, содержащее последовательно расположенные источник оптического излучения, оптико-акустический приемник, вакуумную систему для приготовления, регулирования и измерения давления газа, дополнительно содержит второй оптико-акустический приемник с ра-диусом ячейки, отличающимся от радиуса ячейки первого оптико-акустического приемника в 3-5 раз, и измеритель отношения сигналов двух приемников, второй оптикоакустический приемник установлен по ходу луча последовательно за первым оптикоакустическим приемником и связан с ним газопроводом, присоединенным к вакуумной системе, причем оба оптико-акустических приемника связаны с измерителем отношения. Схема устройства представлена на чертеже. Устройство имеет источник оптического излучения 1, на его оптической оси установлены оптико-акустические приемника 2 и 3, имеющие различные радиусы ячеек. Вакуумная система 4 соединена с ячейками оптико-акустических приемников общим газопроводом так, что давление и состав газа в них одинаковы. Измеритель отношения 5 электрических сигналов присоединен к микрофонам ОАПов. После включения источника оптического излучения 1 излучение проходит последовательно через ОАПы. вызывая в их ячейках скачок давления, регистрирующийся микрофонами ОАПов. В случае полной трансформации поглощенной энергии в акустическую волну сигналы в обоих ОАПах, приведенные к единице объема ячейки, будут одинаковы. При снижении давления часть энергии за счет диффузии возбуждения передается стенкам ячеек, ослабляя тем самым акустическую волну. Конкуренция дезактивации за счет диффузий и за счет возбуждения акустической волны различна для ячеек разного радиуса, в результате чего сигналы ОАПов, нормированные на единицу объема, становятся существенно различными. Измеритель отношения 5 сравнивает з пекгримеские выходные сигнаы ОАПов и выдает их отношение, которое используется при расчете гут по формуле г ± УгЛ М-Ml) J2 где Р - давление, мм рт.ст.; Do - табличный коэффициент диффузии при Р 1 мм рт.ст.; Ui/U2 - отношениеэлектрических сигналов первого и второго ОАПов соответственно;Г1. Г2 - радиусы ячеек ОАПов. Общая вероятность релаксации 1/г(г) может быть записана в виде -I- -1- + -L(2) Г (г) А/т Тдиф Здесь г (г) - время релаксации излучения, зависящее от радиуса ячейки г ОДП; Гдиф (г) - время дезактивации за счет диффузии. Обозначим через T(ri), г(г2) время релаксации излучения для ОАП с радиусами ячеек п и га; Гдиф (ri), Гдиф (га) - время дезактивации за счет диффузии для ОАП с радиусами ячеек п и Г2. Максимальная точность при измерениях достигается в условиях А/т Гдиф (Г2) , tVT 2 Гдиф (ri) . Поскольку обычная точность оптико-акустических измерений составляет величину 10%,то 10 TVT Гдиф(г1).(3) что приводит к необходимости выполнения условия 10 Гдиф (Г2);$ Гдиф (ri)(4) Поскольку Гдиф (ri) Г1 , то удовлетвори,тельным соотношением радиусов ячеек можно принять следующее; 5 Г2 Г1 ЗГ2(5) Увеличение соотношения радиусов ячеек более чем в 5 раз ведет к увеличению акустических шумов. Уменьшение соотношения радиусов до 3 ограничивает динамический диапазон, отодвигая ту границу давлений газа, при которой сигналы ОАПов, нормированные на квадрат радиусов ячеек, будут различаться в Пределах погрешности эксперимента на величину, выходящую за пределы погрешности измерения. Формула (1) выведена при условии Г2 R, где R - радиус поперечного сечения пучка лучей от источника оптического излучения 1, При R 1 мм, Г2 10 мм, п 30 мм оптико-акустические приемники вполне работоспособны и могут давать достаточный сигнал при работе с линиями поглощения излучения с коэффициентами погл.ощения 10 -10 см-1, что с многоходовыми вакуумными кюветами требует нереальных длин пути (10-100 км).

Поскольку в формуле (1) используется отношение электрических сигналов первого и второго ОАП И1/И2, то влияние изменения упругости мембран исключается, если они подобраны одинаковыми.

Изобретение может быть использовано при измерении характеристик слабых линий поглощения для спектроскопических задач при научных исследованиях, а также в практике контроля загрязнения природной среды с помощью оптических методов.

LJ:

I л