Способ измерения плотности оптически прозрачного вещества

0 Л И w A- H-И- Е

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВЙДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Респ1 бпик

Зависимое от авт. свидетельства №

Заявлено 18.111.1968 (№ 1226789/26-25) 1осударственный комитет

Совета Министров СССР по делам изооретений и открытий

М. Кл. б 01п 9 24 с присоединением заявки ¹

Приоритет

Опу бликовано 03.X.!973. Вю,-.летень № 39

УДК 535.411 (088.8) Дата опубликования описания 13.П.1974

Автор изобретения

H. М. Комиссаров

Заявитель

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ОПТИЧЕСКИ

ПРОЗРАЧ НОГО ВЕЩЕСТВА

Изобретение относится к технике интерференциопных измерений. Данный способ может быть применен при измерении плотности газов на газодинамических установках и при оптико-физических исследованиях в пламени и в электрических разрядах.

Известен способ определения малых фазовых сдвигов в световой волне с применением трехлучевого интерферометра, который может быть использован для измерения плотности оптически прозрачного вещества.

Его идея заключается в измерении смещения окуляра вдоль оптической оси при визуальном пабл|одении в монохроматическом свете интер ференционных полос равной интенсивности, образующихся при дифракции от трех п,елей. Исследуемое вещество по»ещают на пути луча, проходящего средшо|о щель.

Однако процесс измерения по известному способу ведется визуально. В связи с этим он не применим при исследовании нестационарных и кратковременных процессов, а также при измерениях в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра.

Целью изобретения является повышение чувствительности и точности измерения низких плотностей сптически прозрачного вещества и, тем самым, проведение исследований, например, в газах при плотностях, создающих разность хода в просвечивающем световом луче до 1/250 длины волны.

Для этого создают трехлучевую интерференционную картину в белом свете, разверты5 вают ее вдоль спектра, в получающейся при этом спектроинтерференционной картине формируют места равных интенсивностей соседних полос путем введения в средний луч калиброванной разности хода, равной нечетно10 му числу четверти длины волны, измеряют спектральное смещение этих мест, вызываемое исследуемым веществом, и при помощи известной зависимости между смещением и плотностью по измеренному смещению рас15 считывают плотность вещества.

Изобретение по,".снепо чертежами.

На фиг. 1 приведена блок-схема установки, предназначеш.ой д.тя нзмере1шя плотности

20 по предложенному способу: на фиг. 2— спектроинтерференциопные ..:зрпшы, плл.острирующие последовательность измерительных операций в случае, когда пнтерференционные полосы параллельны направлешпо

25 дисперсии спектрографа.

Установка содержит (см. фпг. 1) источник

1 излучения белого света, осветитель 2. трехлучевой делительный блок 3, когерентпыс световые лучи 4, 5, 6, исследуемое вещество 7, 5о компенсатор 8 разности хода, трехлучевой

3S9763 соединительный блок 9, проекционный блок

10, спектрограф 11.

На фиг. 2 изображены нулевая спектроиптерференционнал картина а, исходная картина К рабочая картина с с введенным веществом.

Измерительная установка работает следующим образом.

Излучение источника 1 белого света направляют осветителем 2 в трехлучевой делительный блок 3, который образует три когерентных пространственно разделенных луча

4, 5 и 6 света. Средний луч 5 проходит через исследуемое вещество 7. На пути лучей устанавливают компенсатор 8, создающий разность хода между средним 5 и крайними 4 и 6 лучами. Соединительный блок 9 пространственно совмещает лучи. Проекционный блок

10 фокусирует трехлучевые интерференционные полосы в белом све1е па входную щель спектрографа 11. В фокальной плоскости спектрографа интерференциопнал картина развертывается вдоль спектра и фиксируетсл на фотоматериале.

Вид наблюдаемой в фокальной плоскости спектрографа спект роинтерференционной картины определяется направлением интерференционных полос по отношению к направлению дисперсии спектрографа и зависит от величины разности хода между лучами. В частном случае, рассматриваемом для примера, когда направление полос параллельно направлению дисперсии, т. е. когда интерференционпые полосы ориентируются перпендикулярно входной щели спектрографа, будет набл1одаться следующая картина. При равенстве оптических путей трех лучей длл все < длин волн (A(),) =0) вдоль спектра расположатсл трехлучевые интерференцпонцые голосы с постоянной интенсивностью вдоль спектра (см. фиг. 2, а). Если между средним

H KP3fIHIIMH JI j IBM H CC b P 33HOCTb X0QB Л (Х) > изменя1о.цался с длиной волны, т. е. если создан градиент разности хода вдоль спектра, то интенсивность интерференционной полосы будет периодически изменяться вдоль спектра.

Причем между главными и побочными полосами будет сдвиг по фазе на половину периода. В результате этого в спектроиптерферепционной картине образуются места с равными интенсивностями соседних иптерференционных полос, которые далее будут именоватьсл изопиками (см. фиг. 2, b) . Для длин волн, на которых наблюдаются изопики, разность хода равна нечетному числу четверти длины волны (i=1, 2, 3).

Известно, что при установлении равенства интенсивностей соседних полос с погрешностью +-5 /О положение изопика определяет1 ся погрешностью бЛ= длины волны.

Отсюда вытекает, что, определяя перемещепие изопика по спектру, можно измерлть малые разности хода, создаваемые вводимым в средний луч веществом, с погрешностью

Ц 1И1 Ы БО НЫ

Чтобы проводить измерение плотности по спектральному смещению изопика, необходимо спектр проградуировать, т. е. установить зависимость между длиной волны и разностью хода. С этой целью при создании изопик в средний луч вводят калиброванную разность хода 5!;(),) с известной зависимостью от длиньl Волны к()) =- —,—, (2) 15 где Р(л) — диспсрсиопнал функция калиброванной разности хода.

При измерении плотпосгп р вещества, на20 пример газа, по показателю преломления и;, используетсл зависимость

g, — I = К(),). (3) где K().) — постошьная Гладстона-Дейла.

25 Следовательно, введение в средний луч слоя вещества толщиной l создаст для длины волны >. дополнительную разность хода (п — 1).1 К() р (4)

И(),) =30

Это приведет к перемещени1о изопика вдоль спектра (см. фиг. 2, b), Изопик с номером 1, расположенный па длине волны 7. в соответствии с равенством

35 R (i i) (5) сместится после введения исследуемого вещества па длину волны 4, определлему1о соот40 ношением (1ч) — К(k,) р 1 2i — 1 (6) 50 которал св 1зывает величину спектрального смещения Я.; изопика с плотностью введенного вещества. Если припять, что

55 p(),,) — g(),, ) = й,„

dR (1)!

Ж то формулу (7) можно записать в виде

К(ii)1 \ ), d>, Р1) 60

Плотность вещества по предложенному способу измеряют путем выполнения следующей последовательности операций. Настраивают спектроинтерференционную схему изме65 рений (см. фиг. 1) на нулевую разность хода

Обозначив величину спектрального смеще45 пия изопика через б)„=,,i — л,, из зависимостей (5) и (6) получи;I формулу

R (i)

> ; — Р (4) — 1 (Л р=— (7)

К (1;) l

399763 для всех длин волн (см. фиг. 2, а) . Вводят калиброванную разность хода и средний луч и фотографируют исходную спектроинтерференционную картину (см. фиг. 2, б). Помещают в средний луч вещество, плотность которого надо определить, и регистрируют рабочую спектроинтерферограмму (см. фиг.2, с).

На полученных снимках измер lloT длины волн расположения изопика в исходном и рабочем положениях и по их разности определяют величину спектрального смещения изопика. По измеренному значению спектрального смещения изопика при помощи формулы 8, устанавливающей связь между плотностью и смещением изопика, рассчитывают плотность вещества. Для повышения точности определения плотности желательно измерять смещение нескольких изопик.

Внедрение предложенного способа на газодинамических установках расширит диапазон применения интерференционных методов в сторону низких плотностей. Станет возможным проводить количественные измерения в разреженных газах при давлениях, недоступных для двухлучевого интерферометра.

Способ может быть осуществлен, например, на базе отечественных двухлучевых интерферометров ИТ-42, ИЗК-454, ИТР-2 и др. Для э?ого необходимо изготовить приспособления, делающие их трехлучевыми, а на выходе установить стандартный спектрограф типа

ИСП-51, ИСП-28, ДФС-8, СТЭ-1 и др.

10 Предмет изобретения

Способ измерения плотности оптически прозрачного вещества, например газа, с применением трехлучевого ицтерферометра, от гичаюи ийся те;?, что, с целью повышения чувствительности и точности ??змерен?и низких плотностей, создают трехлучевую интерференционную картину в белом свете, развертывают ее вдоль спектра, в получающейся при этом спектропнтерференционной картине формируют места равных интенсивностей соседних полос путем создания разности хода среднего луча относительно крайних лучей и по спектральному смещению рассчитывают

25 плотность вещества.