Способ определения параметров состояния молекулярных газов Советский патент 1985 года по МПК G01N21/39 

Изобретение относится к области инфракрасной спектроскопии и предназначено для-определения параметро состояния молекулярных газов: запас колебательной энергии температур заселения колебательных уровней - Т , содержания рабочих молекул Р и заселенностей колебательных уровней N молекул COj , , СО, HF CS2 и других в активных средах молекулярных лазеров: электроразрядных, газодинамических, ионизационных и с другими системами воз буждения . Кроме того, оно может быт использовано для определения параме ров состояния молекулярных газов в химических реакторах низкого давления, в том числе лазерных, в факелах ракет на больших высотах и различно го рода сверхзвуковых струях, истекающих в вакуум, в космических экспериментах при исследовании процесс происходящих в верхних слбях атмосф ры Земли и других планет солнечной систекы. Известен способ определения запа колебательной энергии, температур заселения лазерных уровней, содержания рабочих молекул и заселенностей лазерных уровней в активных ере дах COj- и N,О-лазеров, основанный на измерении коэффициентов усиления среды в центрах спектральных линий К ( JQ) на двух лазерных переходах , J-1 - tO-O, j и , j-1 OZ-O, j 1. Недостатками данного способа являются низкая точность определени параметров, сложность реализации и ограниченная область применения. Требуется сложная теоретическая обработка данных, включшощая некорректный учет формы спектральньпс линий. Необходимо стабилизировать и контролировать положение и интенсив ность излучения линии, генерируемой просвечивающим лазером, производить перестройку генерации то на оДин, то на другой переходы. Для диагност ки С02-лазера может быть применен только СО -лазер, а для диагностики , и других лазеров только NjG-, CS- и другие лазеры. Проммпленностью выпускаются только COji-лазеры, удовлетворяющие необходимым Требованиям. Способ не позволяет диагностировать удаление объек тов. Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ определения параметров состояния молекулярных газов - запаса колебательной энергии е, колебательных температур , содержания молекул Р. и заселенностей колебательных уровней в Колебательнонеравновесных разреженных средах, включающей измерение средней спектральной интенсивности излучения 1, определение среднего спектрального поглощения « исследуемой среды в интервалах частот , расположенных в максимумах излучения колебательно-вращательных полос переходов в основное состояние А), по которым определяют искомые параметры C2J. Исследуемую среду просвечивают источником непрерывного излучения, промодулированного с частотой f. 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 частот , где d - расстояние между линиями. Таким образом регистрируют одновременно средние в интервале частот, и О 7, J спектральные поглоще- . l.-t-j и интенсивности излучения исследуемой среды на различньпс переходах, выделяемых с помощью фильтров. По измеренным величинам находят значение функции Планка / Вт/см г... (1) По 5 для переходов - 00 О находят запас колебательной энергии с в асимметричном типе колебаний Р °:J 3 Гс,77гТ где С, 3,74-10 Вт-см - первая радиационная постоянная Ч - частота излучения, и колебательную температуру верхнего уровня Т 00°1 из выражения функции Планка сpi V:,triVi 2 1,4388 см; где С, К - вторая радиационная постоянная;Е , ,Р г энергия верхнего -колеба1 -т i9-4 1Л,1 . - . тельного уровня, см . По J для переходов -000 и - ООО находят из выражения (3) Т оо о2«1 затем из соотно шения E-to-i.oJ Eijooz i-Eoo-i , Еоо1 //ч . + т , «о,ого . где Е - энергия колебательных уровней, находят .в Далее принимают ,.,«1 равной поступательной температуре Т, и по измеренным 5 , используя расчетную зависимость 5 €(jjZ) при известных Т и общее давление среды Р , определяют содержания молекул Р. , а затем рассчитывают заселенности уровней ООМ, 020, , W}, 02 по формуле V oP. ) где число Лошмидта-, TO 273 К; - степень вьфождения уровня ft (Т) - колебательная статистическа сумма. Недостатком известного способа яв ляется то, что с его пбмощью колебательные температуры уровней , ЮО, , , 02«-1 могут быть определенытолько для наиболее сильных трехатомных молекул, таких как С02, N О, CSj, SOj, и лишь при больших размерах автипной среды Z 100 2 00 см. При размерах среды Z . 10 см колебательные температуры уровней Ю, , не могут быть определены, так как среднее спектральное поглощение в максимумах полос , 020 0°0 в области длин волн 2,7 мкм невелико и не может быть надежно измерено. В связи с этим недостаточна также точност определения Т(зрв и содержания молекул Р Диагностика активной среды с помо щью известного способа производится по направлению оси резонатора, по ко торому среда имеет наибольшие размеры. В то же время для контроля эффективности его работы необходимо определять Т.и .ог-о процессе генерации по излучению и поглощению среды в направлении, перпендикулярном резонатору, имеющей значительно меньшую толщину ( Z 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-лазерах, так как основные полосы молекул СО, HF, НС1 значительно слабее основной полосы С02. 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 энергии е, колебательных температур Т, содержания молекул PJ и заселенноетей колебательных уровней N (- в колебательно-неравновесных разреженных средах, включающему измерение средней спектральной интенсивности излучения 5 , определение среднего спектрального поглощения а исследуемой среды в интервалах частот ., расположенных в максимумах излучения колебательно-вращательных полос переходов в основное состояние i) О, по которым определяют искомые параметры, излучение cpe/pj проПускают через кюйету, наполненную смесью исследуемых газов с газомразбавителем, вьвделяют излучение каждой исследуемой молекулярной составляющей среды в интервалах частот а , о на участках линий с оптической толщиной .10, измеряют суммарное поглощение на этих участках излучение среды и определяют по нему среднее значение функции Планка 5°1 , а среднее поглощен 1е среды находят из отношения р, - Эу . При этом эквивалентные ширины линий исследуемых газов в кювете выбирают в пределах ,&- W, где у и соответственно допплеровские полуширины и эквивалентные ширины спектралыоос линий в среде.V На фиг. 1 изображено устройство для реализации способа определения 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 о.бъектив 1, диафрагму 2, модулятор 3, линзу .4, набор светофильтров 5, селективные приемники 6 и 7 излучения, линзу 8, неселективный приемник 9 излучения, регистратор 10,суммарной интенсивности излучён 1я от центральных учас ках 4i)j линий, регистратор 11 сред ней спектральной интенсивности излучения исследуемой среды в пределах полос пропускания светофильтров Излучение исследуемой среды фокусируется объективом 1 на диафрагму 2 и модулируется модулятором 3 - вращающимся диском с отверстиями. Линза 4 формирует параллельный пучок излучения среды, просвечивающий кюветы селективных приемников 6 и 7 излучения, Прошедший через них пучок фокусируется линзой 8 на приемную площадку неселективного приемника 9 излучения. Максимум пропуска ния светофильтров совпадают с макси мумом излучения в области полос О и ширина полосы пропускания светофильтров выбирается такой, что бы вьзделить набор спектральных лини имеющих плоские вершины на участках с -V () 10, характеризующиеся поглощением а (-0) 1 и интенсивностью излучения, совпадающей с функцией Планка. Исследуемый газ, помещенный в кювету селективных при емников, имеет более узкий контур спектральных линий с эквивалентными ширинами, находящимися в пределах 12 jf i W - J , и поглощает излу ение среды в пределах горизонтальных участков линий, которые в связи с этим являются для него ква зичерными. Нижний предел )У| огра ничивается допплеровской шириной спектральных линий 2 уд., которая в максимумах полос 1 COj, СО и 0-1 СО при Т 300 К при 4,25i 2,68i 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 олжно превмпать 0,003 8660,005 атм. Модулированный сигнал, вырабатьшаемый 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 вырабатьгеает сигнал, пропорциональный Л. . При смене светофильтров приемники излучения с подключенными к ним регистраторами фиксируют спектральные интенсивности излучения среды 5 и 5 последовательно в различных полосах исследуемых молекул. Обработка полученных значений интенсивностей излучения среды ведется с применением выражений (1) - (4), приведенных при описании известного способа определений параметров состояния молекулярных газов, В устройстве (фиг, 1), предназначенном для диагностики активной среды электроразрядного COj-лазера, в котором наряду с рабочими молекулами СО и азотом присутствуют в небольших количествах СО, образовавшаяся в зоне разряда, в качестве селективных 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 Фп,„ , В кювете первого оптико-акустического приемника объемные содержания компонент СО,, СО, Hj 0,2j 0,8 и 99%, а второго г 25%, Гц. 75%, Эквивалентные- ширины линий в максимумах основных полос OQM COj , 0-1 СО 5«ф 0,005 см-% . а в полосе 00 0-101 COj, - 0,007см, Оптические толщины в центрах линий исследуемой среды при 0,05 атм, толщине слоя Z 100 см достигают требуемого значения t О,) 10 в максимумах полос OO O-OOt и СОг при Гсо2. 0,05 и 5,7%, а в полосе 0-1 СО.при г ссу 0,27%, характеризующих нижний предал поглснцакщих масс, при которых может быть реализован способ, При этом эквивалентные ширины линий в исследуемой среде на порядок вьше, чем в кюТребование ЧЧ ж ветах приемников. 1 с 4г f% вьтолняется с 2-3-кратным запасом 7 В качестве неселективного приемника 9 излучения используется охлаж даемое фотосопротивление ЗпЗЬ(77К) с размерами площадки 3-3 мм , , спектральная чувствительность которого постоянна в области пропускания светофильтров. Объектив 1 и линзы 4,8 йьтолнены из флюорита и имеют световые диамет ры 25 и 8 мм, фокусные расстояния 100 и.30 мм. Диафрагма 2 имеет диаметр 3 мм. Модулятор 3 модулирует излучение с частотой 120 Гц. В касс те установлен набор светофильтров с 4,25; 2,68; 4,59 мкм и . полушириной полосы пропускания 0,5 AV 30 см. Регистраторы 10, 1 1 сигналов включают в себя усилитель, детектор с низкоомным выходом и гальванометр свётолучевого осциллографа. Селективные оптико-акустические приемники 6 и 7 подключены к одному регистратору 10, а фотосоп ротивление - к другому регистратору 11. В устройстве (фиг. 2), предназна ченном для диагностики химико-газодинамического СО -лазера, работающего на смеси CSj:СО:Nj с вдувом в сверхзвуковой поток , по каналу которого состав смеси непрерьгено изменяется, используются те же самые объектив 1, диафрагма 2, модуля тор 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 Р-ветвях переходов С02, N OjCSg и R-ветви перехода 1-0 при поступательной температуре среда Т 300 К, расположенные при длинах волн 4,3; 4,44; 6,5, 4,6 мкм и имеют полуширину 0,5 Д- , также равную 30 см За светофильтрами установлено три пЬлу прозрачных зеркала 12, разделяющих выходящий из линзы 4 параллельньй 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 СС , NjO и СО, а также СSj,,который может быть добавлен в любую пар селективных приемников с СО, N3,0 и СО, так как имеет близкую к ним 86 . ffo интенсивности, но удаленную основную полосу. Первый ряд ОАП осу(ществляет прямое измерение функции ТГпанка среды J (1 ° новных 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 5Л,. Замена фотосопротивления, обладающего постоянной увствительностыо в области пропускания светофильтров, набором селективных оптико-акустических приемников, наполненных смесями одного из исследуемых газов с водородом, обеспечивает измерение средних спектральных интенсивностей излучения « (Тэдт), поглощения среды 5, и в конечном итоге, определение содержания молекул с близкорасположенньми колебательно-вращательными полосами с высокой точностью до ±10%.V Благодаря тому, что определение параметров состояния молекул основано на измерении интенсивности собственного излучения среды, данный способ позволяет определят 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 поглбщения, учета соотношения формы молекулярных полос излучения среды Я 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 определенияф кции Планка указанным способст t3/E, тогда как у известного способа она составляет ±10 и ±15% цри наличии атмосферного поглощения . Предлагаемый способ обеспечивает прямое определение запаса колебательной энергии с точностью в 3 раза более высокой чем известный. Соот.ветстаеняо повьшается точность определения колебательной температу ры из функции Планка. Погрепшости определения среднего поглощения З -мол кулярных газов по предлагаемому способу в два раза ниж погрешностей определения интенсивнос ти излучения, не зависят от величины а и составляют t6%. Нижний предел измеряемых « и концентраций на два порядка меньше-, чем у известного способа и ограничивается величиной потока собственного излучения 86 исследуемой среды, .которая может быть зарегистрирована приемником. Связь i между поглощением и содержанием молекулярных газов в среде определяется зависгоюстыо, пропорциональной корню квадратному, в связи с чем ошибки определения содержания достигают ±10%. Наибольший выигрьш в точности наблюдается на нижнем пре- деле измерений при « -Го,2. Погрешности определения N, соетавляют +10 - 15% и также не зависят от величины среднего поглощения а.

/

6

7

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 спект- рального 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 л- и 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.