Способ измерения скоростей направленного движения компонентов газовых и плазменных потоков

 

Изобретение касается газовой динамики и диагностики плазмы и может найти применение для бесконтактного дистанционного измерения скоростей квазимонокинетических 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; ускорость распада индуцированного дипольного 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 дистакционности 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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (st)s G 01 N 21/64

ГОСУДАРСТВЕН.ЮЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4666795/25 (22) 27.03.89 (46) 15.04.93. Бюл. 3Ф 14 (71) Институт оптики атмосферы СО АН

СССР (72) В.Н,Брюханов и В.П.Кочанов (56) Дубнищев Ю.Н. и Ринкевичюс Б.С., Методы лазерной допплеровской энемометрии. — M. Наука, 1982, с,303.

Stevenson W.H„Santos R., Mettler S.Ñ.

А laser veloclmeter utilizing laser — unduced

fluorecencе, Appl. Phys„Lett., 1975, ч.27, гв

7, р. 395-396. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТЕЙ

НАПРАВЛЕННОГО ДВИЖЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ ГАЗОВЫХ И ПЛАЗМЕННЫХ ПОТОКОВ (57) 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 дистанционности 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 квазимонокинетичвских потоков отдельных компонентов газово-плазменных объектов. Ж, 1644609 А1 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 ym, где ym — константа релаксации верхнего уровня резонансного перехода, начиная от величины б

max

Nmin — Club

h EEo Gym, где щ> -частота резонансного перехода; d — индуцированный дипольный момент этого перехода; у- скорость распада индуцированного дипольного момента; lnmx — максимальная интенсивность излучения лазера; С вЂ” скорость света;

h — постоянная Планка; е — диэлектрическая проницаеьюсть среды; я — диэлектрическая проницаемость вакуума, и заканчивая величиной

Мавх = ш0 +

max

К яе, Су„ . Одновременносрасстройкойчастоты д =в -аь относительно резонанса меняют интенсивность излучения лазера l по закону

l =2 С gym(6 +ó )аР,/(д2у), а дЛИтельность импульса генерации t: выбирают в диапазоне 2/у,„(r < 10/у„, . 2 ил.

Целью изобретения является расшире- . ние диапазона измеряемых скоростей и дистанционности способа, Сущность изобретения состоит в следу° Л ющем.

В среду посылают серию импульсов лазерного излучения с частотой, близкой к чаСтоте резонансной флюоресценции среды, 1644609 =г СЬ2у(д2+у -) ее.Г(а2у), (3) изменяя от импульса к импульсу частоту излучения в на величину 2 у<, где ym — константа релаксации верхнего, уровня резонансного перехода, начиная.от величины

oknln =во

cl, max

6 о C ym (1) 2ууу(п < t < 10 у(, (4) где во — частота резонансного перехода; б — индуцированный дипольный момент этого перехода; у- скорость индуцированного дипольного момента;

lmax — максимальная интенсивность излучения лазера;

С - скорость света;

h — постоянная Планка; е — диэлектрическая проницаемость среды; ео — диэлектрическая проницаемость 20 вакуума. .и заканчивая величиной

E(t) =Ео(е — е ), (5) одновременно с расстройкой частоты д = в — в) относительно резонанса меняя интенсивность излучения лазера! по закону

p„(t) jp g2 =е уп) (Г+а) (. (Г+(2, Р) ( у -а— — — )+е (у )%. (у+a; v)((y — a)L(y-а,v) — (у-p)L(y p,v))x

xcos t t - м ((у + Г ) L (y — а, v ) — (у + Г + а +,В ) 3 (у - p, ty ) ) s ln ty t + (6) е 2а е (а+ф)

+ е (у-a)L(y-а,v)— (y-а) (у — а,t }+(a P);

Г = у -у,, L (x, у ) = 1/(X2+ у2 ) . g = —, 1 = д + К Ч, 2 2 (1 Ео 2 h личину м= 2 7г /Т. а следовательно, зная К и д, скорость v

V=(2z /Т- д)/К, (7) Небольшие поправки, вносимые в измерения Т по максимумам осцилляций общим

40 фоном импульса спонтанного испускания, легко рассчитать, используя формулы типа (6), и затабулировать либо аппроксимировать их несложной зависимостью от параметров и,г и yam . Необходимым

45 где Ч- проекция скорости потока на направление распространения лазерного излучения. Выражение (6) содержит осциллирующие с частотой v и затухающие во времени члены, которые при определенном соотношении величин v. у, ym и длительности импульса т проявляются как осцилляции в импульсе спонтанного испускания. Для определения величины tv достаточно существования хотя бы одной осцилляции (двух максимумов) в отклике спонтанного испускания. По расстоянию между максимумами легко определить период осцилляций Т и т,о. веа длительность импульса генерации r выбирают в диапазоне

Расчетным путем установлено, что импульс интегральной по спектру мощности спонтанного испускания одного атома Wc() =

= Ь в Am< рп, (t ), где p (t) — зависящая от времени заселенность верхнего уровня резонансчого перехода m — О, А ) — первый коэффициент Эйнштейна), инициируемый лазерным импульсом с несущей частотой в и огибающей амплитуды Е(), может в режиме линейного по интенсивности лазерного излучения поглощения содержать несколько осцилляций с периодом, определяемым разностью частот в и во, Так, например, для близкого по форме к реальным импульсам лазеров "двухэкспоненциального" импульса где Ео, а и P — константы, задающие величину максимума амплитуды электрического поля и длительность импульса. заселенность р (т) имеет вид

1644609 условием существования осцилляций является достаточно большая длительность импульса т

t ) 4zrlv. (й

Области существования осцилляций при изменении параметров м, т и y/ym можно рассчитать на ЭВМ как для возбуждающего импульса (5), так и для любой другой формы импульса реального лазера. Подобные расчеты задают более детальные, чем соотношение (8), ограничения на диапазоны значения У, т; 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 спектру лазерно-индуцированной 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 образом.

По команде ЭВМ 8 с помощью управляющих устройств 6 и 7 устанавливаются начальные значения частоты лазера 1 и максимальная мощность генерации Imax, после 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 вогны 15 и далее поступает в ЭВМ 8 для фиксации точного значения отстройки частоты лазера от резонанса д.

Третья часть излучения, отделяемая с помощью светоделительной пластинки 4, поступает на фотоприемник 9 (электронно-оптическая 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 т и контроля данного параметра с помощью соотношения (4), либо более точных соотношений, следующих из расчетных

5 данных: В случае, если все контролируемые параметры находятся в допустимых пределах, производится дальнейшие операции.

Если часть (или все) контролируемые параметры не удовлетворяют установленным тре t0 бованиям, производится выдача соответствующей диагностики на дисплей ЭВМ 8, Возбуждающий импульс, попадая в зондируемую область потока 16, вызывает резонансную флюоресценцию среды, которая

15 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

20 по специальному алгоритму производится анализ формы импульса флюоресценции (фиг.2) с целью выявления осцилляций и определения их периода Т, В случае, когда осцилляции существуют, по формуле (7) с

25 использованием известных значений расстройки частоты д, волнового числа К и предварительно определенного периода осцилляций Т извлекается искомый параметр — продольная составляющая вектора скоро30 сти К Затем автоматически производится следующий цикл измерений, заключающийся в переопределении исходных параметров импульса, а именно, величина д заменяется на д = д + 2 f m, величина lmax — H3 зна35 чение, 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

45 осцилляций и приводятся неусредненные и усредненные значения скорости. В случае, если ни один из импульсов не содержал осцилляций, на дисплей ЭВМ 8 выводится

cooTB8TcTBóþùàë диагностика, а также диапазон скоростей, охваченный задаваемыми значениями Nahum и oaax.

Использование этого способа наиболее эффективно для бесконтактного, дистанционного, не нарушающего состояния исследуемого объекта измерения больших поступательных скоростей различных компонентов (атомов, ионов, молекул, радикалов) в быстропротекающих газовых и плазменных процессах, что позволяет делать заключен.;я о!

644609 физике процесса и проводить его оперативный контроль с временным разрешением

- 10 с и пространственные разрешением

:-8 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 10-5

2 10 м/с, что является существенным рас5 ширением по сравнению с прототипом. Дополнительным преимуществом способа является возможность измерения скоростей различных компонентов потока без внесения в него посторонних веществ в качестве рассеивающих (обеспечивающих наблюдаемую 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, с целью расширения диапазона измеряемых скоростей и дистамционмости способа, посылают серию импульсов излучения с частотой, близкой к частоте резонансной флюоресценции среды, изменяя от

5 импульса к импульсу частоту излучения в на величину 2 ym, где ym — комстамта релаксации верхнего уровня резонансного перехода, начиная от величины

10 4 лЮ

К яе,Су где щ,. — частота резонансного перехода;

d — индуцированный дипольный момент

15 этого перехода; у- скорость распада индуцированного дипольного момемта;

lm x — максимальная интенсивность излучения лазера;

20 . С вЂ” скорость света;

h — постоянная Планка; е — диэлектрическая проницаемость среды; е, — диэлектрическая проницаемость вакуума. и заканчивая величиной

+ д

К ее,Су одновременно с расстройкой частоты д = в — вь относительно резонанса меняют интенсивность излучения лазера! по закону

1 = 2 Ch2 ym (д2 + y ) 8 t p (12 y ) а длительность импульса генерации t выбирают в диапазоне

2tym

1644609

Составитель С.Климентов

Техред М.Моргентал Корректор С.Юско

Редактор Л.Лашкова

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 1968 Тираж Подписное

8НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035. Москва, Ж-35. Раушская наб., 4/5