Устройство для определения параметров сплошных сред методом рассеяния света Советский патент 1990 года по МПК G01N21/03 

1

(21)4034306/31-25

(22)07.03.86

(46) .28.02.90. Бюл. № 8

(71) Физико-технический институт

им. А.Ф.Иоффе

(72)-В.К.Гусев, М.Ю.Кантор

и Г.Т.Раздобарин

(53) 535.242 (088.8)

(56) Off-Axis Path on Spherical

Mirror Interferometers. D.Herriot,

H.Kogelnik, R.Kompfner, Appl,Optics.

3, , p. 523, (1964).

The Vapar - Phase Raman Spectra and the Ring-Puckering Vibration of Some Deuterated Analogs of Trimethy- lene Axide. M.Kiefer, H.I.Bernstein, H.Wieser, M.Danylak. Jour;nal of molecular. spect roscop, 43, n, 3 p. 393 (1972).

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ СПЛОШНЫХ СРЕД МЕТОДОМ РАССЕЯНИЯ СВЕТА

(57) Изобретение относится к измерительной технике, а именно к области диагностики сплошных сред методом рассеяния света, и позволяет увеличить точность определения- параметров исследуемэй среды путем увеличения энергии рассеянного излучения. Цель - повышение точности определения параметров сплошных сред. Устройство состоит КЗ источника излучения 3, двух

отражающих зеркал 1, 2 и блока регистрации рассеяннного излучения 5. От источника излучения световой j-iy4 попадает в исследуемую среду и, отражаясь поочередно от зеркал, многократно пересекает ось наблюдения, на которой располагается регистрирующая аппаратура. За счет возрастания числа проходов зондирующего луча через среду увеличивается энергия рассеянного в среде излучения, регистрируемая измерительной аппаратурой, и тем самым повышается точность определения параметров среды. Центры кривизны зеркал расположены в одной плоскости с осью входного луча и смещены друг относительно друга так, что прямая, проходящая между ними, . перпендикулярно линии их соединяющей, пересекает поверхности обоих зеркал. Причем ввод излучения в устройство и центр кривизны зеркала, расположенного со стороны ввода излучения, находятся по .разные стороны от указанной прямой, а расстояние между центрами кривизны зеркал не больше, чем a /D, где D - размер зеркала. в плоскости, проходящей через ось входного луча и центры кривизны зеркал; а - расс тояние от оси входного луча до ближайшего края зеркала, расположенного со стороны.ввода излучения , ил.

(Л

4 60

ю

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к области диагностики сплошных сред методом рассеяния света. Оно может быть непользовано, например, в диагностике высокотемпературной плазмы методом томсоновского рассеяния для определения температуры и плотности злектронов, в исследованиях структуры энергетических уровней атомов и молекул методами комбинационного и вы- нуткденного комбинационного рассеяния.

На чертеже представлена схема устройства.

Устройство включает зеркала 1,и 2, С ,С положение центров кривизны зеркал, S - ось входного луча, - ось.наблюдения рассеянного излучения, fp- точка пересечения оси входного луча с осью наблюдения, - точка пересечения оси первого луча, отраженного от зеркала 2, с осью наблюдения. Точки if, , С , С расположены в одной плоскости с осью входного луча S. Для простоты рассмотрения показано устройство, состоящее из двух одинаковых зеркал, источника излучения 3, линзы 4, блока регистрации 5.

Устройство работает следующим образом.

Световой луч от источника излучения направляется в исследуемую среду. При этом он проходит мимо зеркала, расположенного со стороны ввода излучения, фокусируется на оси наблюдения и попадает на другое зеркало. Это зеркало направляет луч на зеркало, расположенное со стороны ввода излучения, а от него луч отражается на другое зеркало.

Таким образом, поочередно отражаясь от зеркал, луч многократно проходит через среду, фокусируясь на оси наблюдения. За счет этого возрастает энергия .рассеянного в среде излучения, а следовательно, и точность определения параметров среды. Аппаратура для регистрации рассеянного излучения располагается на оптической оси устройства, проходящей через центры кривизны зеркал.

Входной луч фокусируется в среде с помощью линзы 4, проходя на рас- стоянии аот края зеркала 1, и попадает на зеркало 2, которое расположено так, чтобы расстояние от оси входного луча до ближайшего края этого зеркала было равно а, а отра .женный от него луч попадал на зеркал 1 также на расстоянии а от его края (см. чертеж ).

Покажем существенность каждого признака для достижения положительного эффекта. Прежде всего центры

5

0

5

0

5

0

5

0

5

кривизны зеркал должны находиться в одной плоскости с осью входного луча, так как только в этом случае все отраженные лучи будут лежать в одной плоскости, что обеспечивает наилучшую локализацию энергии зондирующих лучей на оси наблюдения, лежащей в этой же плоскости.

При размещении зеркала, расположенного со стороны ввода излучения, так, что прямая, лежащая в одной плоскости с осью входного луча и проходящая между центрами кривизны зеркал перпендикулярно к линии их соединяющей, пересекает поверхности обоих зеркал, а центр кривизны этого зеркала и ввод излучения находится по разные стороны от указанной прямой, и расстояние между центрами кривизны зеркал и удовлетворяет соотнощению а а /D, где П - размер зеркала в плоскости, проходящей через ось вход ного луча и центры кривизны зеркал, число проходов луча между зеркалами увеличивается за счет постепенного сокращения расстояния между соседними точками отражения луча от поверхности зеркал по мере их удаления от оси входного луча. Точками отражения мы называем точки пересечения

оси луча с поверхностью зеркал.

1 ч а я -

При -г- Д/ -- отражающая поверхность зеркал используется дважды, так как точки отражения сначала удаляются от оси входного луча, а затем снова к ней приближаются, пока луч не выйдет из устройства в области ввода излучения в направлении, противоположном входному лучу. Расстояние между соседними точками отражения сокращается при их удалении от оси входного луча и увеличивается при приближении к ней до первоначальной величины, равной примерно 2а. Таким образом, увеличение числа проходов в указанном интервале величин Д обусловлено как сокращением расстояния между соседними точками отражения, так и повторным использованием отражающей поверхности зеркал. . .

При Л а /D используется только четвертая часть поверхности зеркал, а число проходов такое же, как в прототипе, и равно а

5 - 142: с уменьшением Л число проходов растет за счет увеличения используемой поверхности зеркал. Когда

я .4D

Т.О расстояние максимальной

равно примерно

что в четыре

удаленной от оси входного луча точк отражения до ближайшего края зеркал равно а, и, если а d/2, где d - диаметр входного луча на уровне зеркала, расположенного со стороны ввода излучения, то вся отражающая поверхность зеркал будет использоваться дважды. При дальнейшем уменьшении и сначала часть луча, а затем и весь луч, точка отражения которог максимально удалена от оси входног луча, выйдет за пределы отражающей поверхности зеркал, т.е. их поверхность будет использована только оди раз.

Однако за счет уменьшения расстояния между соседними точками отражения луча число проходов будет оставаться больше, чем в прототипе, а при совпадении центров кривизны станет таким же, как в прототипе.

Таким образом, при и а /4D достигается максимальное число проходов луча в устройстве, которое

; ()

а раза больше, чем в прототипе.

Необходимо отметить, что при указанном расположении центров кривизны зондирующий луч пересекает ось наблюдения между точками пересечения

о

с ней входного и первого отраженного луча. Поэтому пространственное разрешение вдоль оси наблюдения в устройстве остается таким же, как в прототипе, т.е. равным а. Рели центр кривизны зеркала, расположенного со стороны ввода излучения, и ввод излучения расположены по одну сторону от указанной Бьш1е прямой, проходящей через центры кривизны зеркал, то расстояние между точками отражения луча на зеркалах возрастают при каждом проходе, что ведет к уменьшению числа проходов луча в устройстве. В зтом случае уменьшается также и пространственное разрешение вдоль оси наблюдения.

В данном решении входной луч фокусируется на ОСИ наблюдения, где расположены и центры кривизны зеркал. Поэтому при многократных отражениях от зеркал точки фокусировки луча

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

будут оставаться в этой же области, что создает хорошую локализацию энергии зондирующего излучения в иссле дуемом объеме и исключает возможность разрушения зеркал при использовании для зондирования среды мощного лазерного излучения.

Таким образом, при сохранении указанных положительных свойств прототипа данное устройство позволяет существенно (примерно в 4 раза) увеличить число проходов луча через исследуемую среду, т.е. во столько же раз увеличить энергию рассеянного излучения.

Такое увеличение рассеянной энергии приводит к возрастанию отношения мощности принимаемого сигнала к мощности флуктуации вдвое, а это означает, что точность определения параметров среды улучшается в два раза.

В данном решении зеркала расположены так, что прямая, проходящая между центрами кривизны зеркал пер- пеьщикулярно линии, их соединяющей, и лежащая в одной плоскости с осью входного луча, пересекает поверхности обоих зеркал.

Именно такое расположение зеркал и их центров кривизны при соблюдении указанного вьш1е ограничения на расстояние .между ними позволяет эффективнее использовать oJpaжaющyю поверхность зеркал за счет сокращения расстояния между точками отражения луча на зеркалах, т.е. получить большое число проходов при хорошем пространственном разрещении и исключить возможность разрушения зеркал мощным лазерным излучением.

Так как реальный световой луч всегда фокусируется в некоторой протяженной области, то для лучшей локализации энергии зондирующего излучения эту область надо расположить немного вьпне оси наблюдения (между осью наблюдения и зеркалом, расположенным со стороны ввода излучения). В этом случае с каждым проходом луча она будет уменьшаться в размерах, а ее центральная часть приближаться к оси наблюдения.

Для получения максимальной точности измерений при использовании устройства его необходимо организовать следующим образом:

Зеркала расположить отражающими поверхностями напротив друг друга

на расстоянии, равном сумме их .радиусов кривизны. Регистрирующую аппа-. ратуру разместить на оси наблюдения, проходящей через 15ентры кривизны зеркал перпендикулярно линии, пересекающей поверхности обоих зеркал. Источник излучения расположить таким образом, чтобы входной луч, минуя , зеркало 1, фокусируясь на оси наблю- дения, попадал на зеркало 2. Края входного луча надо максимально прижать к границам зеркал так, как показано на чертеже. Если диаметр луча на входе в устройстве равен d, то для получения максимального числа проходов без потерь света, связанных с диафрагмированием луча оправками зеркал, расстояние от оси луча до ближайших краев зеркала а надо сделать равным d/2.

Второе зеркало поставить так, чтобы отраженный от него луч, проходя через ось наблюдения, попадал на первое зеркало. Причем расстояние между осью этого и входного лучей на уровне первого зеркала должно быть равно d, а оба луча и ось наблюдения лежать в одной плоскости. В этом случае расстояние между точ- ками и и пространственное разрешение вдоль оси наблюдения будет равно d/2.

Наклонами зеркала 1 добиться появления точек отражения луча на зер- калах. Затем, наклоняя зеркало вокруг оси, параллельной оси наблюдения, установить все точки отражения на обоих зеркалах на прямых, также параллельных оси наблюдения. Накло- няя зеркало в поперечном направлении добиться максимального числа проходов, луча. Число проходов можно контролировать при помощи плоскопараллельной отборной пластинки, которая помещается на пути распространения лучей.

Очевидно, что аналогичное устройство можно построить из двух зеркал с разными радиусами кривизны. Зерка- ла располагаются на расстоянии, равном сумме их радиусов кривизны, центры кривизны зеркал смещены друг относительно друга .перпендикулярно прямой, проходящей через оба зеркала Пространственное разрешение на оси

наблюдения, проходящей через дент2Кг

ры кривизны зеркал, равно :::-- .

2R,

Дпя полного использования отражающей поверхности зеркал из размеры должны удовлетворять соотношению - R /Rj. Максимальное число проходов

луча в устройстве равно 8 (D - -)/d

Здесь Р., - размер зеркала, со стороны которого вводится излучение. Р.,, Rj. - радиусы кривизны зеркал.

Формула изобретения

Устройство для определения параметров сплошных сред методом рассеяния света, включающее источник излучения, два сферических отражающих зеркала, расположенных отражающими поверхностями напротив друг друга, и блок регистрации рассеянного излучения, установленный на оси наблюдения, при этом край зеркала, ближайшего к источнику излучения, расположен на расстоянии а до оси входного луча, а расстояние, на котором расположены зеркала, равно сумме их радиусов кривизны с центрами кривизны, лежащими в одной плоскости с осью входного луча, о тличаю щ е е с я тем, что, с целью повьщ1е ния точности определения параметров сплошных сред путем увеличения числа проходов зондирующего излучения через исследуемую среду, зеркало, ближайшее к источнику излучения, край которого расположен на расстоянии а до оси входного луча, установлено так, что прямая, лежащая в одной плоскости с осью входного луча и проходящая между центрами кривизны зеркал перпендикулярно линии их соединяющей, пересекает поверхности обоих зеркал, .причем центр кривизны этого зеркала и точка пересечения оси входного луча с линией, соединяющей центры кривизны зеркал, находятся по разным сторонам от указанной прямой, а расстояние между центрами кривизны зеркал и удовлетворяют соотношению. /В,-где D - размер зеркала в плоскости, проходящей через ось входного луча и центры кривизны зеркал.