Способ измерения скоростей направленного движения компонентов газовых и плазменных потоков Советский патент 1993 года по МПК G01N21/64 

изменяя от импульса к импульсу частоту излучения О) на величину 2 ут . где ут - кон- станта релаксации верхнего уровня резонансного перехода, начиная от величины

l 2Ch2ym(52+yz)FFo/(d2y). (3)

а длительность импульса генерации г выбирают в диапазоне

Изобретение касается газовой динамики и диагностики плазмы и может найти применение для бесконтактного дистанционного измерения скоростей квазимоноки- нетических потоков отдельных компонентов газово-плазменных объектов. Целью изобретения является расширение диапазона измеряемых скоростей и дистанционное™ способа. Для этого в исследуемую среду посылают серию импульсов лазерного излучения, вызывающего флюоресценцию определенного компонента среды, принимают излучение флюоресценции среды и по Изобретение касается газовой динамики и диагностики плазмы и может найти применение для бесконтактного дистанционного измерения скоростей квазимонокинетических потоков отдельных компонентов газово-плазменных объектов. периоду биений в принятом излучении судят о скорости потока. Частота зондирующего излучения выбирается близкой к частоте резонансной флюоресценции среды и изменяется от импульса к импульсу на величину 2 у™. где ут - константа релаксации верхнего уровня резонансного перехода, начиная от величины «Jb ,,- лГЩИ , где GJb - часЕЕоСут тота резонансного перехода; d - индуцированный дипольный момент этого перехода; у- скорость распада индуцированного ди- польного момента; (max - максимальная интенсивность излучения лазера; С - скорость света; h - постоянная Планка; е - диэлектрическая проницаемость среды; Јо - диэлектрическая проницаемость вакуума, и заканчивая величиной ЗДлах -+ -nffsr-0 11 - но с расстройкой частоты сиь относительно резонанса меняют интенсивность излучения лазера I по закону l 2CRym(52+y2)Јfio/(d2y). а длительность импульса генерации г выбирают в диапазоне 2/Ут г 10/ут . 2 ил. Целью изобретения является расширение диапазона измеряемых скоростей и ди- стакционности способа. Сущность изобретения состоит в следующем. В среду посылают серию импульсов лазерного излучения с частотой, близкой к частоте резонансной флюоресценции среды, о I о ю

tttnln ftte

md vdZiii

h E во С УГГ

О)

где аъ - частота резонансного перехода; d - индуцированный дипольный момент этого Перехода;

у- скорость индуцированного диполь- ного момента;

Imax - максимальная интенсивность излучения лазера;

скорость света; h - постоянная Планка;

е- дизлектрическая проницаемость среды;

ЕО - диэлектрическая проницаемость вакуума, и заканчивая величиной

(Отах (0о

r,, d. V У шзх

h Ј Со С Ут

(2)

одновременно с расстройкой частоты д о) - Wo относительно резонанса меняя интенсивность излучения лазера I по закону

/tb(t)/A,)/m4r+«)L(rH-«,v) Yml2a)+e(Y+a(r+a vK(Y-a)L(V-a-v)-(V-P)L( xcosvt -v(y + r)L(y-a,v)-(y + r+a+/9)L(y-/9,v)Jslnvt+(6)

-2«t-(«+/)t

+ m-2a (X-g)L(y-g.v)- ym-g-/j (y-«)L(y-a.v)+();

, L(x,y) 1/(x2+y2), , + KV,

где V- проекция скорости потока на направ- личину V- 2 п /Т, а следовательно, зная К ление распространения лазерного излуче- и д , скорость V ния. Выражение (6) содержит осциллирующие 35

с частотой vи затухающие во времени чле-М (2п /Т- д)/К,(7)

ны, которые при определенном соотношении величин v,y,ym и длительностиНебольшие поправки, вносимые в изме- импульса t проявляются как осцилляции в рения Т по максимумам осцилляции общим импульсе спонтанного испускания. Для оп- 40 фоном импульса спонтанного испускания, ределения величины v достаточно сущест- легко рассчитать, используя формулы типа вования хотя бы одной осцилляции (двух (6), и затабулировать либо аппроксимиро- максимумов) в отклике спонтанного испуска- вать их несложной зависимостью от пара- ния. По расстоянию между максимумами легко метров v ,т и У/Ут . Необходимым определить период осцилляции Т и т.о. ве- 45

2/Ут Г 10/ут.

(4)

Расчетным путем установлено, что импульс интегральной по спектру мощности спонтанного испускания одного атома Wen h ufe Amo pm (t ) , где рт (t) - зависящая от времени заселенность верхнего уровня резонансного перехода m - 0, Amo - первый коэффициент Эйнштейна), инициируемый лазерным импульсом с несущей частотой а и огибающей амплитуды E(t), может в режиме линейного по интенсивности лазерного излучения поглощения содержать несколько осцилляции с периодом, определяемым разностью частот (О и ftfe . Так, например, для близкого по форме к реальным импульсам лазеров двухэкспоненциального импульса

25

E(t) Eo(e fl:t-e- t),

(5)

где Ео, с и / - константы, задающие величину максимума амплитуды электрического поля и длительность импульса, заселен- 30 ность рт (t) имеет вид

, + KV,

условием существования осцилляции является достаточно большая длительность импульса f

г 4 лг/v.(Ъ)

Области существования осцилляции при изменении параметров v, г и у/ут можно рассчитать на ЭВМ как для возбуждающего импульса (5), так и для любой другой формы импульса реального лазера. Подобные рас- четы задают более детальные, чем соотношение (8), ограничения на диапазоны значения V, г; из таких расчетов, проведенных для формы импульса (5), в частности следует ограничение (4).

На фиг.1 представлена схема установки для измерения скорости потока; на фиг. 2 приведен типичный расчетный сигнал интегральной по спектрулазерно-индуцирован- ной флюоресценции, зависящей от времени и содержащий осцилляции (кривая 18).

Устройство содержит перестраиваемый по частоте лазер 1, излучение которого возбуждает резонансный переход среды, пластинки 2, 3, 4 для отвода части излучения, измеритель мощности 5, электронные устройства 6, 7, управляющие режимом работы лазера 1 по команде ЭВМ 8, приемники 9, 10 оптического излучения с требуемым временным разрешением, ПЗС-матрицы 11, 12 аналого-цифровые преобразователи 13, 14, измеритель 15 длины волны, зондируемую область 16 газового потока, принимающую флюоресцентное излучение оптику 17.

Способ осуществляют следующим об- разом.

По команде ЭВМ 8 с помощью управляющих устройств 6 и 7 устанавливаются начальные значения частоты лазера 1 и максимальная мощность генерации Imax, по- еле чего запускается генерация лазера. Часть излучения импульса генерации с помощью пластинки 2 отделяется от луча, направляемого в среду, и поступает в измеритель мощности 5, сигнал с которого поступает в ЭВМ 8 и используется для контроля данного параметра, Другая часть излучения импульса, отделяемая от основного луча с помощью пластинки 3, поступает на измеритель длины волны 15 и далее поступа- ет в ЭВМ 8 для фиксации точного значения отстройки частоты лазера от резонанса 6 . Третья часть излучения, отделяемая с помощью светоделительной пластинки 4, поступает на фотоприемник 9 (электронно-опти- ческая камера), регистрируется с помощью ПЗС-матрицы 11 и оцифровывается на аналого-цифровом преобразователе 13, предоставляя в память ЭВМ 8 точную форму

импульса для определения длительности генерации г и контроля данного параметра с помощью соотношения (4), либо более точных соотношений, следующих из расчетных данных. В случае, если все контролируемые параметры находятся в допустимых пределах, производится дальнейшие операции. Если часть (или все) контролируемые параметры не удовлетворяют установленным требованиям, производится выдача соответствующей диагностики на дисплей ЭВМ 8.

Возбуждающий импульс, попадая в зондируемую область потока 16, вызывает резонансную флюоресценцию среды, которая собирается приемной оптикой 17 и поступает на электронно-оптическую камеру-приемник 10, соединенную с ПЗС-матрицей 12 и аналого-цифровым преобразователем 14, сигнал с которых поступает на ЭВМ 8, где по специальному алгоритму производится анализ формы импульса флюоресценции (фиг.2) с целью выявления осцилляции и определения их периода Т. В случае, когда осцилляции существуют, по формуле (7) с использованием известных значений расстройки частоты д , волнового числа К и предварительно определенного периода осцилляции Т извлекается искомый параметр - продольная составляющая вектора скорости V, Затем автоматически производится следующий цикл измерений, заключающийся в переопределении исходных параметров импульса, а именно, величина д заменяется на д д + 2 } т , величина Imax - на значение, рассчитываемое на ЭВМ 8 по формуле (3) с подстановкой туда величины д и запуск генерации лазера с последующими действиями, описанными выше. Измерения заканчиваются по достижении предельного значения расстройки частоты д . По окончании измерений на дисплей ЭВМ 8 выводятся результаты измерения скорости для тех импульсов, которые содержали осцилляции, с указанием нумерации импульсов, числа осцилляции и приводятся неусредненные и усредненные значения скорости. В случае, если ни один из импульсов не содержал осцилляции, на дисплей ЭВМ 8 выводится соответствующая диагностика, а также диапазон скоростей, охваченный задаваемыми

Значениями И ОАпах .

Использование этого способа наиболее эффективно для бесконтактного, дистанционного, не нарушающего состояния исследуемого объекта измерения больших поступательных скоростей различных компонентов (атомов, ионое, молекул, радикалов) в быстро- протекающих газовых и плазменных процессах, что позволяет делать заключения о

физике процесса и проводить его оперативный контроль с временным разрешением 10 8 с и пространственные разрешением в пределе, определяемом длиной волны лазерного излучения. Диапазон измерения скоростей потоков на примере атомов натрия для лазерного источника с пиковой мощностью 10 мВт/м составляет 10 - 2 105 м/с, что является существенным расширением по сравнению с прототипом. До- полнительным преимуществом способа является возможность измерения скоростей различных компонентов потока без внесения в него посторонних веществ в качестве рассеивающих (обеспечивающих на- блюдаемую флюоресценцию) центров, нестойких к воздействию высоких температур и способных при распаде повлиять на параметры измеряемого процесса.

Положительный эффект ожидается при использовании изобретения для измерения скоростей движения ионов и атомов в плазменных струях, истекающих из сопел, во взрывной эмиссии, происходящей при сильноточных разрядах в вакууме, лазерных взрывах с поверхности, при ионно-лучевой обработке материалов, в газодинамических процессах в ударных трубах, в движении газово-плазменных образований в космическом пространстве и атмосфере. Формула изобретения Способ измерения скоростей направленного движения компонентов газовых и плазменных потоков, по которому в исследуемую среду посылают лазерное излучение, вызывающее флюоресценцию определенного компонента среды, принимают излучение флюоресценции среды и по периоду биений в принятом излучении судят об исследуемом параметре, отличающийся тем, что, соцелыо расширения диапазона

измеряемых скоростей и дистанционности способа, посылают серию импульсов излучения с частотой, близкой к частоте резонансной флюоресценции среды, изменяя от импульса к импульсу частоту излучения о) на величину 2 ут , где ут - константа релаксации верхнего уровня резонансного перехода, начиная от величины

0) 0)о

ftvd V У

h ЈЈoCym

где ftfe - частота резонансного перехода;

d - индуцированный дипольный момент этого перехода;

у- скорость распада индуцированного дипольного момента;

(max - максимальная интенсивность излучения лазера;

С - скорость света; h - постоянная Планка;

е- диэлектрическая проницаемость среды;

ЕО - диэлектрическая проницаемость вакуума, и заканчивая величиной

ЗЯЗГодновременно с расстройкой частоты д со - ftte относительно резонанса меняют интенсивность излучения лазера I по закону

I « 2 Ch2 ym (И2 -t-y2 )ееь/(d2 у),

а длительность импульса генерации г выбирают в диапазоне

2/уш r 10/ym .

I- Ј .

Фиг..2