Устройство для измерения оптических искажений,вызываемых термическими турбулентностями в пузырьковых камерах Советский патент 1982 года по МПК G01T5/06 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ИСКАЖЕНИЙ, ВЫЗЫВАЕМЫХ ТЕРМИЧЕСКИМИ ТУРБУЛЕНТНОСТЯШ В ПУЗЫРЬКОВЫХ КАМЕРАХ

1

Изобретение относится к измерению оптических искажений, вызываемых термическими турбулентностями в пузырьковых камерах, и может быть применено для исследования оптических искажений в турбулентных средах, и, в частности, в трековых детекторах элементарных частиц.

Известны устройства для измерения оптических искажений, вызываемых термическими турбулентностями, основанные на использовании позиционночувствительного фотоприемника для регистрации УГЛОВ прихода и линейных смещений лазерного луча после прохождения турбулентной среды 1 ,

Все они требуют сквозного прохода луча света через исследуемую среду и не позволяют измерять искажения по всему объему.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство, содерхсащее лазер, теплоизолированную емкость с турбулентной.

средой-жидкостью, представляюсцую собой макет пузырьковой камеры и имеющую входной и выходной иллюминаторы для сквозного прохода луча лазера, а также позиционно-чувст- вительный фотодиод и регистрирующий прибор. После прохождения сквозь турбулентную среду луч света из-за флуктуации коэффициента преломления в ней хаотически смешается в плоскости фотодиода, расположенного за выходным иллюминатором Искомое оптическое искажение определяется как среднеквадратичная величина сне щения луча лазера от его исходного положения после прохождения турбу- лент ной ср.еды.2.

Однако описанное устройство не позволяет измерять оптические искажения по всему объему. Необходимость таких измерений вызывается потребностью увеличения точности восстановления событий в пузырьковых камерах. Кроме того, хотя данное устрой-, 39 ство и предлагается для использования в пузырьковых камерах, однако в ряде случаев, это не представяется возможным из-за отсутствия в камерах второго иллюмина-дора для сквозного прохода луча лазера. А введение дополнительного отверстия представляет собой сложную техничес кую задачу и, кроме того, связано с дополнительными проблемами .обеспечения безопасности установки ( ослабление корпуса камеры отверстием и введением стеклянного иллюминатора), а также с нарушением рассчитанной однородности магнитного поля из-за введения дополнительного отверстия в ярме магнита. Цель изобретения - измерение оптических искажений по всему объему пузырьковой камеры без внесения изменения в ее конструкцию. Указанная цель достигается тем, что в устройство дпя измерения оптических искажений, вызываемых термическими турбулентностями в пузырь ковых камерах, содержащее лазер, ем кость с турбулентной средой и иллюминатором, регистрируюощй прибор, дополнительно введены фокусирующее приспособлени дпя луча лазера, вог нутое зеркало с центральным отверстием, расположенным по оси луча ла зера, фотоэлектронный умножитель, находящийся в фокусе зеркала, юсти- ровочное устройство и катафотные световозвращатели, имеющие светопо- глощакмцне полосы с монотонно изменяющейся шириной, причем катафотные световозвращатели укреплены внутри пузырьковой камеры, а на юСтировочном устройстве размещены лазер, фокусирующее приспособление, вогнутое зеркало с центральным от ерстием и фотоэлектронный умножитель. На фиг. 1 представлена схема ус ройства для измерения оптических искажений, вызываемых термическими турбулентностями в пузырьковых кам рах, на фиг. 2 - внешний вид катафотного световозвращателя, на фиг. область смещения пятна света, обра зованного лучом лазера в ш оскости катафотного световозвращателяJ на фиг. 4 - зависимость величины мак- симальной амшЕИтуды сигнала на выхо де преобразующего устройства фотоум ножителя от ширины светопоглощающих полос катяфотиого световозвращателя. Устройство содержит лазер 1, фокусирующее приспособление 2, вогнутое зеркало 3 с центральным отверстием 4, 1-тлюминатор 5 в корпусе пузырьновой камеры 6, которая заполнена турбулентной средой 7, катафотные световозвращатели 8 с нанесенными на них светопоглощающими полосами, фотоэлектрон№1Й умножитель (ФЗУ) 9 и регистрирующий прибор 10. Лазер I, фокусирующее приспособление 2, зеркало 3 и фотоэлектронный умножитель 9 расположены на юстироБочном устройстве 11 ц закрыты светонепроницаемым кожухом 12. На фиг. 2 показан внешний вид катафотного световозвращателя 8 со светопоглощающими полосами 13, щирина которых МОНОТОННО возрастает, и пропусками незатененного световозвращателя 14, имеющих ширину большую, чем диаметр светового пятна, образуемого лучом лазера 1. Луч света от лазера I проходит через фокусирующее приспособление 2, отверстие 4 в зеркале 3, иллюминатор 5, уже имеющийся в корпусе пузырьковой камеры 6, объем турбулентной жидкости 7, Затем луч отра;кается от катафотного световозвращателя 8 с нанесенными на нем светопоглощающими полосами и, в силу свойств катафотного световозвращателя, возвращается назад практически по тому же пути. Отразившись от зеркала 3, свет фокусируется на ФЗУ 9, сигналы с которого направляются на регистрирукщий прибор 10, например самописец или ЭВМ. Использование юстировочного устройс тва I 1 позволяет наводить луч света от лазера 1 на катафотные световозвращатели 8, размещенные в различных местах исследуемой среды и, таким образом, определять оптические искажения, вызываемые термическими турбулентностями в каждой заданной точке пузырьковой камеры. Фиг. 3 поясняет принцип работы устройства. Через с} обозначен диаметр светового пятна 15, образованного лучом лазера, в плоскости катафотного световозвращателя, (3т диаметр круга, внутри которого может находиться центр тяжести светового пятна 15, причем d(i,d, +d, d - ширина полосы, меньд1ая чем d. . ПОСЛЕ прохождения турбулентной среды 7 из-за флуктуации коэффи1щента преломления луч света от лазера 1 хаотически смещается, причем так, что геометрическим местом точек в плоскости катафотного световозвращателя 8, где может находиться, центр тяжести светового пятна 15, оказывается круг диаметром если среда однородно турбулентна. Если центр пятна 15 при отсутствии турбуленции совместить с серединой светопоглощающей полосы 3 шириной d d., то после возникновения турбуленции световое пятно может с определенной вероятностью целиком выходить за пределы этой полосы. Эт значит, что наряду со световыми сиг налами малой величины на фотоумножитель 9 поступают сигналы максимал ной величины, так как ширина пропус ков 14 заранее выбирается больше ди аметра светового пятна 5. Юстировочное устройство 1 1 дает возможность последовательно наводить луч от лазера I на светопоглощающие полосы 13 все большей ширины Когда ширина полосы 13 превьшает ра мер d , пятно света 15 уже не может выйти за ее пределы полностью, т.е. часть пятна экранируется светопогло щающей полосой 13, и максимальная величина сигнала, поступающего на фотоумножитель 9, начинает постепен но спадать. При ширине полосы 13, равной dj световое пятно 15 может выходить за ее пределы не более чем наполовину, и максимальная величина сигнала, регистрируемого фотоумножителем 9,, равна половине сигнала получаемого при отражении от не- затененного световозвращателя. При ширине светопоглощающей полосы I3 равной ип большей d световое пятно 15 полностью экранируется ею. I На фиг. 4 показана зависимость величины максимальной амплитуды сиг нала М. на выходе преобразукщего устройства фотоумножителя от ширины светопоглощающих полос 13, отнесенная к амплитуде сигнала V, получаемого от незатененного катафотного световозвращателя. Ширина поло сы d соответствующая //V 0,5,равна диаметру круга d, радиус которого и является искомой величиной оптических искажений луча света, пр шедшего слой турбулентной середы ( так как она равна величине максимал но возможного смещения центра тяжести пятна света относительно исхбдного положения. Отсюда следует ограничение на минимальную величину оп-. тических искажений, измеряемых устройством, которая зависит от диаметра светового пятна, образуемого лучом лазера в плоскости катафотного световозвращателя, и равна радиусу этого пятна. Фокусирующее приспособление 2 дает возможность получить требуeMbrii диаметр луча света от лазера (в нашем случае 0,2 мм) в плоскости катафотного световозвращателя 8. Из принципа обратимости световых лучей в геометрической оптике следует, что луч света от пузырька, образующего трек элементарной частицы, смещается на пленке фотоаппарата пропорционально найденной величине d2/.2 о Если турбулентная среда неоднородна, а имеет какие-либо дополнительные локальные области турбуленции, то, располагая светопоглощающие полосы под различными углами, как это сделано в стандартной мере, можно определить то направление, в котором искажения достигают максимальной величины, а значит и судить о направлении потоков локальной нестабильности турбулентной среды. Использование -предлагаемого устройства дает возможность измерять оп тические искажения по всему объему пузырьковой камеры и в-подобных установках, где имеется возможность размещения катафотных световозвращателей. Применение устройства возможно без внесения изменений в конструкцию камеры. Устраняется необходимость использования дорогостоящего позицион- но-чувствительного фотодиода со сложной преобразующей аппаратурой. Измерение оптических искажений, вызываемых термически ш турбулентностями, позволит учитывать их при обработке информации и, таким образом, повысить точность восстановления событий в пузырьковых камерах. Формула изобретения Устройство для измерения оптических искажений, вызываемых термическими турбулентностями в пузырьковых, камерах, содержащее лазер, емкость с турбулентной средой и юшюминато- ром, регистрирующий прибор, о т личающееся тем, что, с целью измерения искажений по всему объему камеры, в устройство дополнительно введены фокусирующее приспособление для луча лазера, вогнутое зеркало с центральным отверстием, расположенным по оси луча лазера, фотоэлектронный умножитель, находящийся в фокусе зеркала, юстировочное устройство и катафотные световозвращатели, имеющие светопоглощающие полосы G монотонно изменяющейся шириной, причем катафотные световозвращатели укреплены внутри пузырьковой камеры, а на юстировочном устройстве размещены лазер, фокусиру-

кхцее приспособление, вогнутое зеркало с центральным отверстием и фотоэлектронный умножитель.

Источники информации,. принятые во внимание при экспертизе

1.Бажинов В.А. и др. Лазерный микрорефрактометр для измерения градиентов температур в жидкостях. ПТЭ, 1979, № 2, с. 280.

2.Toal V. Measurements of Optical Distortion Arising from Thermal Turbulence with Applicatrbn Bubble Chambers. J. Phys.D. Appl. Phys., vol. 9, 1976 (прототип).