Способ измерения времени колебательной релаксации газов Советский патент 1993 года по МПК G01N21/61 

СО 00

ю

Изобретение относится к физике процессов энергетического обмена в веществе. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей способа путем его применения для незамкнутых объемов. Через объем, заполненный исследуемым веществом, пропускают гауссоподобный пучок излучения импульсного лазера с дли- ноЛ волны, попадающей в контур линии поглощения исследуемого вещества. Дополнительно в исследуемый объем под углом dM /L (где dM - диаметр пучка излучения первого лазера: L - расстояние между источником зондирующего излучения и приемной линзой) к оптической оси первого лазера посылают пучок зондирующего . излучения второго лазера, принимают его излучение фокусирующей линзой и измеряют смещение плоскости изображения относительно фокальной плоскости линзы. Длительность импульсов первого лазера уменьшают, а период их следования увеличивают дотех пор. пока смещение плоскости изображения пучка зондирующего излучения не перестанет зависеть от длительности и периода следования импульсов первого лазера. Об искомом параметре (времени VT-релаксации) судят по времени нарастания смещения плоскости изображения пучка зондирующего излучения за приемной линзой. 4 ил.

о

ю

Изоб1)етеиие относится к физике процессов энергетического обмена в газах и может Оыть использовано для определения времени перехода энергии колебательного возбуждения D теплооу-о при столкновении молекул газа, т.е. для измерения времени колебательной vt-релаксации (),

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей способа путем его применения для незамкнутых объемов газа.

На фиг.1 показана структурная схема устройства для релаксации способа; на фиг.2,3,4 - временные зависимости смещения плоскости изображения пучка зондирующего излучения.

Устройство (фиг.1) содержит первый лазер 1, в качестие которого используетсл импульсный узкополосный лазер с плавной перестройкой частоты, второй лазер 2 для формирования пучка зондирующего излучения, в качестве которого используется He-Ne- лазер, фокусирующую линзу 3, оптический приемный блок 4, состоящий из двух, как минимум, полупрозрачных зеркал, расположенных до и после области перетяжки пучка второго лазера, и фотоприемников (фотоумножителей ФЭУ) с точечными приемными диафрагмами, блок 5 обработки сигналов, блок 6 управления первым лазером 1. На фиг.1 показан также объем 7 исследуемого газа.

На фиг.2 приводится временная зависимость смещения б (t), где i - время плоскости изображения пучка зондирующего излучения второго лазера 2 при воздействии импульсами О -гауссоподобного пучка излучения импульсного первого лазера 1 на газ в объеме 7.

Смещение б (t) на фиг.2, 3, 4 имеет вид кривых 9, 10 или 11 в зависимости от соотношения периода Т следования импульсов 8, обозначенных по фиг.2, 3, 4 пунктирной линией, времени импульса ( Гцмп) и времени нарастания смещения ( г пар). Время tiiap будет равно времени импульса, если

. Если Гим11 г ут, то время Тиар равно времени колебательной релаксации ( rvi). Время тепловой ролакса- ции ( гт ) измерлотся от момента максимума с мещения д (t) до его окончания.

Способ осуществляется следующим образом.

Незамкнутый объем 7 исследуемого газа облучают гауссогюдобным пучком импульсного лазера 1. Длина волны лазера 1 выбирается п пределах контура линии по- исследуемого газа.

Дополнительно от источника зондирующего излучения лазера 2 посылается пучок зондирующего излучения, положение плоскости изображения которого за фокусирующей линзой 3 регистрируется блоком 4 измерения положения плоскости изображения. Сигнал из блока 4 поступает в блок 5 обработки. Блок обработки соединен с блоком 6 управления первым лазером. Блок б

0 состоит из системы управления частотой генерации, выполненной в виде дифракционной решетки или интерферометра, и системы управления длительностью импульсов излучения и частотой их следова5 ния.

Длина волны излучения зондирующего лазера может быть любой, однако ее удобнее брать отличной от длины волны излучения первого лазера (с целью частотной

0 селекции зондирующего излучения и отсутствия поглощения маломощного зондирующего излучения).

Требование на гауссовость распределения интенсивности первого лазера и зонди5 рование нагретой области под углами (р с1 м /L, где dM - диаметр пучка первого лазера; L - расстояние между вторым лазером 2 и линзой 3, к оптической оси пучка излучения первого лазера состоит в том, что

0 при таких условиях пучок зондирующего излучения посылается в нагретую область, имеющую параболическое распределение диэлектрической проницаемости среды в поперечном сечении, и смещение плоскости

5 его изображения однозначно зависит от времени колебательной VT-релаксации. При зондировании с углами р d n/L или областей, нагретых лазерными пучками с распределениями интенсивности излучения в поперечном сечении, значительно от- личными от гауссовских, положение плоскости изображения пучка излучения зондирующего лазера за приемной линзой не зависит от времени колебательной ре лаксации.

Излучение лазера 1 поглощается в объеме 7, что вызываетизменениетемпературы газа и его давления. Это приводит к искажению волнового фронта пучка излучения вто0 рого лазера 2, что ведет к смещению плоскости изображения, формируемого фокусирующей линзой 3, принимающей излучение лазера 2. Угол наклона у между пучками лазеров 1 и 2 выбирают следующим

образом.

При посылке пучка зондирующего излучения строго по оптической оси пучка излучения первого лазера ( у5 0) реализуются максимально выгодные условия измерения.

0

так как хотя величина смещения 6 (t) не зависит явно от угла р, но с увеличением р возрастают аберрационные искажения из-за отличия профиля диэлектрической проницаемости среды нагретой области от параболического и при р d м/L систематическая погрешность измерения достигнет уровня 10%.

Длительность импульсов первого лазера 1 и период Т их следования выбирают в зависимости от реализации смещения 6 (t) в виде кривых 9, 10, 11. Смещение 6(t) согласно кривой 11 представляет собой измерительный режим и соответствует соот- ношению времен Гимп T VT . Т гт .

Если соотношение б имп 5vT, имеет место зависимость смещения 6(i) вида кривой 9 и время (Зимп импульса лазера 1 уменьшают до тех пор, пока не будет реали- зован режим согласно кривой 10, характеризующийся соотношением времен т имп , Т rvT. При реализации смещения д (t) согласно кривой 10 период Т следования импульсов увеличивают до тех пор, пока не будет осуществлено смещение д (t) вида кривой 11, при котором смещение (5 (t) не зависит от г имп и Т.

При реализации смещения 5 (t) вида кривой 11 измеряют время нарастания смещения д (t), которое и принимают за результат измерений времени колебательной VT-релаксации .

Для точного определения момента начала смещения д (t) плоскости изображения необходимо, чтобы к моменту прохождения импульса излучения первого лазера релаксационные процессы в исследуемом веществе после прохождения предыдущего импульса завершились (Т Гт).

Изобретение позволяет измерять время колебательной релаксации газов в ат-

мосферных условиях о незамкнутых объемах и с помощью малоинерционной регистрирующей аппаратуры измерять время релаксации порядка 10 с и меньше.

Формула изобретения Способ измерения времени колебательной релаксации газов, заключающийся в облучении исследуемого газа гауссоподобным пучком излучения импульсного лазера с длиной волны, попадающей в контур линии поглощения газа, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей способа путем его применения для незамкнутых объемов газа, исследуемый газ дополнительно облучают пучком зондирующего излучения второго лазера под углом к оптической оси первого лазера, принимают пучок зондирующего излучения от второго лазера с помощью фокусирующей линзы, измеряют смещение плоскости изображения пучка второго лазера относительно фокальной плоскости линзы, причем угол (р наклона между пучка первого и второго лазеров выбирают из условия

р dM/L,

где dM - диаметр пучка первого лазера;

L- расстояние между вторым лазером и фокусирующей линзой, уменьшают длительность импульсов первого лазера и увеличивают период их следования до тех пор, пока смещение плоскости изображения пучка второго лазера не перестанет зависеть от длительности и периода следования импульсов первого лазера, после чего о времени колебательной релаксации газа судят по времени нарастания смещения плоскости изображения пучка второго лазера.

Cpus.Z

(риеЛ