Способ измерения концентрации частиц в газе и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК G01N15/02 

Изобретение относится к способам и устройствам фотоэлектрического измерения концентрации частиц по фазовому сдвигу электромагнитной волны и может быть использовано для определения в электрических разрядах, лазерных искрах и факелах, других средах концентрации частиц, имеющих резонансное поглощение, либо электронов в плазме, а также для измерения изменения показателя преломления прозрачных сред.

Известен способ измерения концентрации атомных частиц в факеле, заключающийся в просвечивании факела лазерным импульсом с двумя длинами волн и в измерении вызванного факелом сдвига фаз посредством интерференции прошедшего факел импульса с опорным. Поперечное сечение импульса излучения превышает размеры факела: получается двухмерное поле интерференции, которое разделяется по длинам волн и регистрируется светочувствительным материалом. Сдвиг фаз, вызванный факелом, отсчитывается относительно той площади поля интерференции, которая не покрывается факелом.

Наиболее близким к предлагаемому является способ измерения изменяющихся во времени концентраций электронов, включающий разделение непрерывной электромагнитнойволны,созданной радиотехническими средствами, на измерич

ы

ю

4

Ы

тельную и опорную, пропускание измерительной волны сквозь исследуемый газ, сведение и интерференцию измерительной и опорной волн, непрерывную фотоэлектрическую регистрацию изменяющегося во времени сигнала интерференции, определение по сигналам интерференции вызванного частицами сдвига фазы и определение по сдвигу фазы концентрации частиц.

Наиболее близкой к предлагаемому по технической сущности субмиллиметровое (СММ) квазиоптическое устройство, содержащее лампу обратной волны СММ-диапа- зона в качестве источника излучения с длинами волн 0,3-0,6 мм, источник оптически связан с двумя интерферометрами: ш- мерительным и опорным, причем в измерительном плече измерительного интерферометра установлена емкость для плазмы, выход измерительного интерферометра оптически связан с приемником излучения, подключенным к входу системы обработки сигнала, которая электрически связана с компенсатором порожнего сдвига фаз, компенсатор установлен в опорном плече измерительного интерферометра, выход опорного интерферометра оптически связан с вторым приемником излучения, подключенным к второй системе обработки сигнала, выход которой электрически связан обратной связью с лампой обратной волны. Приемником ССМ-излучения служит кристалл n-lnSb, охлажденный до температуры 4,2 К. Устройство имеет временное разрешение 2 мкс. Измеряется концентрация электронов в пределах 1011-10 см .

Недостаток известного способа обусловлен регистрацией числа колебаний сигнала интерференции. При этом возможны большие ошибки в определении концентрации частиц.

В устройстве применяются детекторы n-lnSb, работающие при температуре жидкого гелия. Необходимость глубокого охлаждения, а также непригодность устройства для измерений концентрации частиц, имеющих резонансное поглощение, так как частота СММ-волны модулируется, являются недостатками известного устройства.

Целью изобретения - повышение точности измерений за счет исключения нелинейности показателя преломления газа.

Предлагаемой способ пригоден для измерения стационарных концентраций частиц. Увеличение количества частот зондирования позволяет исключить нелинейность показателей преломления и увеличить точность измерения концентраций частиц. Устройство имеет большую верхнюю границу набегов фазы Ф (возможны большие числа п), а вместе с тем и большую верхнюю границу измеряемых концентраций. Преимуществом устройства является

его широкодиапазонность.

Поставленная цель достигается тем, что согласно известному способу измерения концентрации частиц в газе, включающему формирование пучка многочастотного электромагнитного зондирующего излучения, разделение пучка на измерительный и опорный, пропускание измерительного пучка сквозь исследуемую среду, установление начального фазового сдвига опорного пучка

при отсутствии частиц в газе, сведение измерительного и опорного пучков, фотоэлектрическую регистрацию сигнала интерференции обоих пучков на частотах зондирования, определение сдвигов фаз,

соответствующих частотам зондирования, определение концентрации частиц, применяют четырехчастотный импульсный пучок зондирующего излучения с продолжительностью, не превышающей характерного

времени изменения концентрации, начальный фазовый сдвиг опорного пучка устанавливают равным нулю для всех частот зондирования, проводят разделение по частотам сведенных пучков, ответвляют опорный либо исходный и измерительный пучки, причем в измерительном канале ответвление производят после прохождения исследуемого газа, разделяют по частотам ответвленный пучки, затем на каждой частоте регистрируют сигналы интерференции U, сигналы опорного либо исходного Do и измерительного ии каналов, определяют коэффициенты выравнивания сигналов К0 и Ки, рассчитывают сдвиг фаз Ф, причем

,

±р + 2л:п, если п О если п О

где р arccosf (U - K0U0 - K,Ur,)/

/иетш

n - целое число, величина которо го и знак величины р, определяются из соотношений: ф/ф Aj/Aj для электронов(фА)-

-Ф усФкА-ФДН -да-А2)

для электронов, если изменение концентрации сопровождается изменением показателя

преломления газа;Ф/Ф (Aj-АО) (Aj-Ao)i

+(АА/2)(Й-Л0)(А1-Ло)2+(ЛЯ/2)2} для частиц, имеющих резонанс в спектре поглощения, где i, j, k. I - индексы частотных компонент; АО - длина волны резонанса; ДА- ширина резонанса.

Сущность изобретения: измерение концентрации частиц в газе с использованием четырехчастотного импульсного пучка зондирующего электромагнитного излучения, продолжительность которого не превышает характерного времени изменения концентрации. 2 с.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.