Способ определения времени колебательно-поступательной релаксации в газах Советский патент 1993 года по МПК G01N21/61 

Изобретение относится к области физической кинетики, в частности к методам определения характерных времен релаксационных процессов в газовых средах.

Цель изобретения - упрощение метода измерений и расширение функциональных возможностей способа определения характерных времен колебательно-поступательной релаксации в газах

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения характерных времен колебательно-поступательной релаксации, включающем импульсное возбуждение колебательных уровней молекул газовой среды, измерение величины энерговклада в колебательные степени свободы молекул и измерение характерного времени изменения плотности газа в процессе релаксации

колебательной энергии, исследуемый газ помещают в электрическое поле между двумя электродами, формируют фокальное пятно лазерного излучения размером 0,8-0,9 от величины расстояния между электродами, источником ионизирующего излучения в газе создают концентрацию электронов 10 - 10 см , определяют статическое пробойное электрическое напряжение, затем на электроды подают электрическое напряжение, составляющее величину от 0,85 до 0,99 от величины пробойного напряжения, измеряют величины временных задержек ti и t2 электрического пробоя разрядного промежутка относительно импульса накачки при двух величинах энерговклада в колебательные степени свободы молекул EI и Е2, характерное время колеба00

го

ел

00

тельно-поступательной релаксации г определяют из следующей системы уравнений:

(1-Q/Ei).

t2-- rln(1-Q/E2),(1),

где Q - величина выделившейся в пространстве между электродами тепловой энергии, при которой возникает электрический пробой между электродам.

Фокальное пятно может быть вытянуто в направлении электродов с величиной характерного поперечного размера lmin «re где с - скорость звука в газе.

Рассмотрим более подробно сущность предлагаемого способа измерений.

После окончания импульса накачки диссипация вложенной колебательной энергии Ео происходит по следующему закону:

Е (t) Е0 exp (-t/r).(2),

где t - время, отсчитываемое от момента возбуждения колебательных уровней, г характерное время колебательно - поступательной релаксации. Длительность импульса возбуждения при этом много меньше г, также как в прототипе.

Количество тепловой энергии Q(t), выделившейся к моменту времени t в результате колебательно-поступательной релаксации возбужденных молекул, равно:

Q(t) E0(1-exp(-t/T))(3).

Накачка колебательных уровней осуществляется в пространстве между электродами, к которым приложено постоянное электрическое напряжение, близкое к пробойному. При нагревании газа в результате диссипации колебательной энергии происходит уменьшение плотности газа N и рост величины отношения напряжения на электродах U к плотности газа N в пространстве между электродами. Электрический пробой разрядного промежутка возникает при вы полнении условия

U/N (U/N)br,(4),

где (U/N)br - величина отношения напряжения на электродах к плотности газа, при которой происходит пробой разрядного промежутка. Время развития искрового или стримерного пробоя много меньше характерных времен релаксации и величины задержки пробоя.

Как видно из формулы (3), скорость выделения тепла в пространстве между электродами определяется величиной г. Поэтому между импульсом лазерного излучения, осуществляющим накачку колебательных уровней молекул, и моментом возникновения пробоя разрядного промежутка имеется временная задержка t, величина которой связана с величиной г следующим соотношением:

.

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

t rln(1-Q/E0),(5),

где обозначения те же, что в (3).

Варьирование величины вложенной колебательной энергии путем изменения энергии импульса лазерного излучения при прочих равных условиях приводит к изменению величины t согласно выражению (5). Поскольку условием возникновения пробоя разрядного промежутка является выделение в пространстве между электродами тепловой энергии, величиной Q, для серии из двух измерений временных задержек пробоя ti и t2 справедлива система уравнений (1), из которой можно исключить неизвестную величину Q и определить характерное время колебательно-поступательной релаксации т.

Установлено, что при создании в газе источником ионизирующего излучения начальной концентрации электронов 105-109 см значительно уменьшается разброс времени задержки тока пробоя относительно импульса возбуждения колебательных уровней молекул, что повышает точность определения г . При концентрации электронов меньше 105см 3 разброс величины задержки пробоя возрастает и становится сравнимым с временем задержки. При концентрации электронов больше 10 см увеличивается ток тлеющего электрического разряда между электродами, что приводит к уменьшению зарядного напряжения до начала стримерного или искрового пробоя, и в результате - к снижению точности определения г.

Величина подаваемого на электроды напряжения определяется следующим образом. При U/N 0,85 (U/N)br достижение пробоя обеспечивается в результате уменьшения плотности газа прим повышении температуры газа в области накачки на ДТ 0,15 Т, где Т - начальная температура газа. При этом предлагаемая методика дает значение г, среднее по интервалу температур от Т до Т+ ДТ. Известно, что имеется сильная зависимость т г (Т), что не позволяет получить точное значение г , соответствующее определенному значению температуры газа. Так, при и Д Т- 50 К характерное время релаксации уменьшается вдвое по сравнению с характерным временем релаксации при температуре 300 К. При U/N 0,99 (U/N)br резко возрастает разброс времени задержки пробоя.

Максимальная чувствительность предлагаемого метода обеспечивается при размерах накачиваемой области газа, равной расстоянию между электродами. Экспериментально установлено, что максимально

допустимый размер области накачки не должен превышать 0,9 от величины расстояния между электродами. В противном случае часть лазерного излучения попадает на поверхность электрода, что вызывает пробой разрядного промежутка, не связанный с колебательной релаксацией. При размере накачиваемой области газа, составляющей менее 0,8 от величины расстояния между электродами, снижается чувствительность метода, так как увеличивается необходимая для обеспечения пробоя величина Л Т.

Минимальный допустимый размер накачиваемой области газа Imin должен, как и в прототипе, удовлетворять условию Imin « с т где с - скорость звука в газе. В отличие от прототипа, в котором использовалась сферическая область накачки, в предлагаемом устройстве используется вытянутая, например, в виде эллипсоида или цилиндра об- ласть накачки, ориентированная так, что максимальный размер ее лежит на линии. соединяющей концы электродов. При этом на величину задержки пробоя влияет только размер неоднородности вдоль линии, сое- диняющей концы электродов.

В качестве источника ионизации газа в разрядном промежутке использовался искровой разряд между вспомогательными электродами. Вместо искрового разряда в предлагаемом устройстве может быть также использовано рентгеновское излучение, пучки электронов или продукты ядерных реакций.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой изображена схема устройства для реализации предложенного способа; на фиг, 2 - один из вариантов расположения фокального пятна лазерного излучения в разрядном промежутке.

Устройство действует следующим образом. В кювету 1 напускается исследуемый газ. С помощью оптической системы 2 лазерное излучение источника 3 направляется в пространство между электродами 4 через окно 5 и рассеянное излучение выводится из кюветы через окно 6, что позволяет осуществлять накачку колебательных уровней молекул исследуемого газа и измерять величину вложенной энергии. На электроды 4 подается напряжение с помощью источника электрического питания 7. В процессе колебательно - поступательной релаксации вложенной энергии происходит выделение тепла в пространстве между электродами 4 и уменьшение плотности газа, приводящее к возникновению электрического пробоя. Одновременно с накачкой молекул газовой среды между вспомогательными электродами 8 с помощью импульсного источника электрического питания 9 осуществляется искровой разряд, ультрафиолетовое излучение которого ионизует газ в промежутке между электродами 4, что позволяет уменьшить разброс задержек пробоя разрядного промежутка, связанных с вероятностным характером возникновения пробоя при отсутствии затравочных электронов. Для измерения энергии, вложенной в объем газа в разрядном промежутке, с помощью калориметра 10 регистрируется энергия первой стоксовой компоненты рассеянного излучения, селектируемой оптическим фильтром 11. С помощью плоскопараллельной пластины 12 часть излучения отводится на фотоприемник 13. Временные задержки между импульсом накачки, регистрируемым фотоприемником 13, и импульсом электрического тока разряда с пояса Роговского 14, измеряются с помощью осциллографа 15.

Вытянутое в направлении электродов фокальное пятно может быть сформировано, например, с помощью цилиндрических линз 2, как показано на фиг. 2.

Предлагаемым способом определялось характерное время колебательно-поступательной релаксации в водороде при комнатной температуре, давлении 8 атм и степени колебательного возбуждения молекул, варьировавшейся в диапазоне от 0,1 до 0.5. В качестве источника лазерного излучения для накачки молекул использовался рубиновый лазер с пассивной модуляцией добротности резонатора. Длительность импульса генерации составляла 50 не при величине энергии генерации от 0,2 до 0,8 Дж. Излучение фокусировалось в кювету линзой с фокусным расстоянием 75 мм. Минимальный размер фокального пятна 0,15 мм, максимальный - 2,25 мм, расстояние между электродами 2,5 мм. После напуска газа в кювету на электроды подавалось стабилизированное с точностью 0,1% регулируемое напряжение. Пробивное напряжение определялось путем медленного повышения напряжения на электродах до фиксации пробоя с помощью пояса Роговского и осциллографа без ионизации газа и при включенном источнике ионизации. Пробивное напряжение на электродах составляло 28- 30 кВ в зависимости от концентрации электронов. Вложенная колебательная энергия EI равнялась 75 мДж. Е2 - 200 мДж. При величине электрического напряжения на электродах, равной 0,85 от пробойного, времена задержки пробоя относительно импульса накачки составляли мкс, мкс. Рассчитанное из системы уравнений (1) величина г равнялась 1 мкс. При величине

электрического напряжения на электродах. равной 0,99 от пробойного, времена задержки пробоя относительно импульса накачки составляли ,7 мкс, ,3 мкс, что соответствует г, равному 2,3 мкс. Источник ионизации в описанных экспериментах обеспечивал начальную концентрацию электронов на уровнен 10 -10 см. При этом разброс времени задержки пробоя не превышал 0,2 мкс. При начальной концентрации электронов, меньшей 105 либо большей 109 см , разброс задержек пробоя превышал 2-3 мкс. При увеличении энергии колебательного возбуждения EI и Е2 до 200 и 500 мДж соответственно, измеренное время релаксации составляло 0,6 мкс. Ф о рмула изобретения 1. Способ определения времени колебательно-поступательной релаксации в газах, включающий импульсное возбуждение колебательных уровней молекул газовой среды, измерение величины энерговклада в колебательные степени свободы молекул и измерение характерного времени изменения пдот йости газа в процессе релаксации колебательной энергии, отличающий- с я тем, что, с целью упрощения и расширения функциональных возможностей способа, исследуемый газ помещают в электрическое поле между двумя электродами, формируют фокальное пятно лазерного излучения размером 0.8-0,9 от величины расстояния между электродами, определяют статическое пробойное напряжение. подают напряжение на электроды, составляющее величину от 0,85 до 0,99 от величины пробойного напряжения в газе,

измеряют величины временных задержек ti и t2 электрического пробоя между электродами относительно импульса накачки при двух величинах энерговклада EI и Ег в колебательные степени свободы молекул,

постоянную времени колебательно-поступательной релаксации гопределяют из следующей системы уравнений (1-Q/Ei); (1-Q/E2):

где Q - величина выделившейся в пространстве между электродами тепловой энергии, при которой возникает электрический пробой между электродами.

2.Способ по п. 1,отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, с помощью внешнего источника ионизирующего излучения одновременно с накачкой колебательных уровней молекул осуществляют предварительную ионизацию газа в разрядном промежутке, обеспечивающую концентрацию электронов (105-109)

3.Способ по пп. 1 и2,отличаю- щ и и с я тем, что фокальное пятно формируют вытянутым в направлении электродов с величиной характерного поперечного размера 1Мин « т с, где с - скорость звука в газе.

Использование: может быть использовано в плазмохимии. Изобретение относится к области физической кинетики Цель изобретения - упрощение метода измерений и расширение его функциональных возможностей. Сущность способ включает возбуждение колебательных уровней молекул импульсом лазерного излучения и регистрацию изменения во времени плотности газа, помещенного в электрическое поле между двумя электродами. Измеряется пробойное электрическое напряжение, затем на электроды подается напряжение, составляющее величину от 0,85 доО.99 от величины пробойного напряжения в газе, измеряются величины временных задержек электрического пробоя между электродами относительно импульса накачки при двух величинах энерговклада в колебательные степени свободы молекул Характерное время колебательно- поступательной релаксации определяется по измеренным величинам временных задержек пробоя. 2 з.п ф-лы, 2 ил. (Л С

Ю

Фиг1

т-/

/

к

I

Ј

6

/

Ј

W

1

ч

Г

У

5