Люминесцентный способ определения давления газа Советский патент 1988 года по МПК G01L11/02 

Од

а

4

;о to

00

1

Изобретение относится к области измерения давления газа с помощью оптических средств, в частности к люминесцентным способам определения быстроменяющегося давления газа, тушащего люминесценцию индикатора, например к определению парциального давления кислорода в смеси газов, и предназначено для оперативного измерения распределения давления газа на контролируемую поверхность объекта (модели летательных аппаратов, лопатки турбин и т.п.)а также для измерения концентрации газа (тушителя люминесценции).обратимо тушащего люминесценцию индикатора.

Целью изобретения является расширение диапазона измерения.

На чертеже представлена схема энергетических ураннений молекулы индикатора, люминесцирующей из высокого возбужденного электронного состояния .

Стрелки 1 и 2 показывают ступенчатое поглощение молекулой индикатора двух фотонов возбуждающего излучения. В результате этого молекула индикатора из основного состояния So переходит в высокое возбужденное электронное состояние S , время пребывания молекулы в котором меньше, чем в возбужденном электронном состоянии S. Оптический переход 3 молекулы из возбужденного состояния 2 в основное состояние представляет собой люминесценцию, по интенсивности которой определяется давле1 ие в предложенном способе. Согласно известному способу измерение давления осуществляется по люь-шнесценции, возника1бщей в результате оптического перехода S, - So 4 из возбужденного состояния с больш1М временем длительности, чем в состоянии 5 .

Расширение верхней границы измеряемого давления газа на поверхность с адсорбированным и1щикатором достигается измерением интенсивности люминесценции при практически отсутствующем фоновом свечении, что возможно при антистоксовом возбуждении люминесценции, так как рассеянный свет возбуждающего люминесценцию потока спектрально не перекрывается с полосой люминесценции, по которой осуществляется измерение давления газа на поверхность с адсорбированным индикатором. Поскольку время

6А9282

жизни молекул индикатора в высоком возбужденном состоянии на 1-2 поряд- ка меньше времени нахождения возбужденных молекул в первом возбужденном синглетном состоянии, по люминесценции из которого в известном способе осуществлялось измерение давления, то для тушения люминесценции в пред-

10 ложенном способе необходимы значительно большие давления тушителя люминесценции.

Существенное отличие предложенного способа от известного заключает-

If ся в том, что в качестве индикатора из раствора в адсорбирующий слой вводят молекулы, люминесцирующие из высокого возбужденного состояния. Для исключения возникающего в извест20 ном способе паразитного рассеянного света, ограничивающего верхний предел измеряемого давления, применяют ступенчатое возбуждение индикатора под воздействием антистоксового облу-

25 чения. Измерение давления осуществляют по интенсивности люминесценции молекул индикатора из высокого возбужденного состояния с временем пребывания молекул индикатора в этом

состоянии 10 -10 с, возникающей при оптическом переходе из этого состояния в основное.

Пример. В образованный на испытуемой поверхности слой адсорбента из раствора с заданной концентрацией индикатора, в качестве которого используют молекулы, люминесцирующие из высокого возбужденного электронного состояния, проводят имприг-

нирование сорбента. Возбуждение люминесценции молекул индикатора, сорбированных поверхностью, осуществляют антистоксовым облучением с плотностью потока не менее 10 фотон-см - сг . При этом ступенчатое поглощение молекулой индикатора двух квантов возбуждающего излучения переводит молекулу в высокое возбужденное электронное состояние. Измерение интенсивности люминесценции молекул индикатора, адсорбированных поверхностным слоем, проводят на оптическом переходе из высокого возбужденного состояния в основное до

и после воздействия тушащего люминесценцию газа. Люминесцирующий из высокого возбужденного состояния хлорофилл имеет время жизни в этом состоянии, равное 140 пс. По отношению измеренных интенсивностей люминесценции судят о давлении газа на поверхность с адсорбированным индикатором. Измеренное отношение интен сивностей люминесценции пропорционально величине давления газа. Поскольку время пребывания молекулы в высоком возбужденном состоянии меньше, чем в первом возбужденном электронном состоянии, то для тушения люминесценции, возникающей из высокого возбужденного состояния, необходимо высокое давление тушащего люминесценцию газа. Это позволяе расширить верхнюю границу измеряемого давления газа на поверхность с адсорбированным индикатором на 1-2 порядка относительно известного способа.

В зависимости от энергетического положения высокого возбужденного электронного уровня молекулы индикатора, по оптическому переходу из которого осуществляется измерение и тенсиБности люминесценции в предложенном способе, выбирают источник оптического излучения, например импульсный неодимовый или рубиновый и другие лазеры, исходя из условия hV,+hV, 7, flE, где hV, и hV энергии квантов возбуждающего излучения, Л Е - разность энергий между основным и высоким возбужденным электронными состояниями люминесци- рующей молекулы индикатора. Для применения в качестве люминесцирующего индикатора метилхлорофиллида или фталоцианина хлорида алюминия с энерг тическуми уровнями 22300 и 27000 см соответственно и для возбуждения их в указанные состояния достаточно удвоной энергии квантов, излучаемых рубновым лазером.

Для реализации способа в качестве люминесцирующих индикаторов можно использовать имеющие оптические переходы из короткоживущих высоких возбужденных состояний многоатомные молекулы, например порфирины, фтало- цианины, полиметиновые красители, ароматические углевородороды, родами

6Ж и другие.

I

При этом достигаемое расширение верхней границы измеряемых давлений на 1-2 порядка превосходит верхнюю границу измеряе1 1х давлений в известном способе, составляя несколько десятков атмосфер.

Формула изобретения

Люминесцентный способ определения давления газа, включающий возбуждение оптическим облучением люминесцентного индикатора, измерение ,интенсивности его люминесценции до и после воздействия тушащего газа, определение отношения измеренных интенсивностей люминесценции, по которому судят о давлении газа, отличающий- с я тем, что, с целью расширения диапазона измерения, в качестве индикатора используют вещество, содержащее многоатомные молекулы, люминесци- рующие из высокого возбужденного электронного состояния, в качестве оптического облучения используют антистоксовое облучение с плотностью потока 10 -10 фотон-см - с , а измерение интенсивности люминесценции проводят на оптическом переходе из высокого возбужденного электронного состояния, имеющего время жизни с.

Е,СМ

-1

Изобретение м.б. использовано для оперативного измерения распределения давления газа на контролируемую поверхность, а также для измерений концентрации газа, обратимо тушащего люминесценцию индикатора.Цель изобретения - расширение диапазона измерения давления. В качестве индикатора вводят из раствора в адсорбирующий слой многоатомные молекулы, люминесцирующие из высокого возбужденного электронного состояния. Ступенчатое возбуждение индикатора воздействием антистоксовым облучением с плотностью потока 10 -10 фотон к:м . с исключает возможность возникновения паразитного рассеянного света. О давлении газа судят по отношению интенсивностей люминесценции молекул индикатора, измеренных на оптическом переходе из высокого возбужденного состояния в основное до и после воздействия тушащего газа. Время пребывания молекул индикатора в высоком возбужденном состоянии составляет 10 -10 с. 1 ил. с сл

0