Способ измерения плотности оптически прозрачного вещества

ч.ц.0 Л И -Е:И ЕИЗОБРЕТЕН ИЯК АВТОРСКОМУ СВЙДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциалистическихРеспбпик ависимое от авт. свидетельства,111.1968 226789/26 1, Кл, б 01 п 92 Заявлен соединением заявкиосударственный комитеСовета Министров СССРпо делам изооретенийи открытий Приоритет ДК 535.411(08 Опубликовано 03.Х.973. Бюллетень39Дата опубликования описания 13.11.1974 Авторзобретени омиссаров Заявите СОВ ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ОПТИЧЕСКИ ПРОЗРАЧ НОГО ВЕЩЕСТВА оИзобретение 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 паблодении в монохроматическом свете интерференционных полос равной интенсивности, образующихся при дифракции от трех и;елей. Исследуемое вещество помещают на пути луча, проходящего средшоо 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 свет вом луче до 1,/250 длины волны.Для этого создают трехлучевую интерференционную картину в белом свете, разверты вают ее вдоль спектра, в получающейся приэтом спектроинтерференционной картине формируют места равных интенсивностей соседних полос путем введения в средний луч калиброванной разности хода, равной нечетно му числу четверти длины волны, измеряютспектральное смещение этих мест, вызываемое исследуемым веществом, и при помощи известной зависимости между смен,ением и плотностью по измеренному смещению рас считывают плотность вещества.Изобретение пояснепо чертежами. На фиг. 1 приведена блок-схема установки,предназначеш.ой для нзмере 1 шя плотности 20 по предложенному способу; на фиг. 2 -спектроинтерференциопныезрпшы, плл 1 острирующие последовательность измерительныхх операций в случае, когда пнтерференционные полосы параллельны направлешпо 25 дисперсии спектрографа.Установка содержит (см, фпг. 1) источник1 излучения белого света, осветитель 2, трехлучевой делительный блок 3, когерентпыс световые лучи 4, 5, 6, исследуемое вещество 7, 50 компенсатор 8 разности хода, трехлучевойсоединительный блок 9, проекционный блок 10, спектрограф 11.На фиг, 2 изображены нулевая спектроинтерференционнал картина а, исходная картина К рабочая картина с с введенным веществом.Измерительная установка работает следуюшим образом,Излучение источника 1 белого света направляют осветителем 2 в трехлучевой дели- тельный 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 свете на входную щель спектрографа 11. В фокальной плоскости спектрографа интерференционнал картина развертывается вдоль спектра и фиксируетсл на фотоматериале,Вид наблюдаемой в фокальной плоскости спектрографа спектроинтерференционной 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 наблюдаться следующая картина. При равенстве оптических путей трех лучей длл всех длин волн (Л(Х,) =О) вдоль спектра расположатсл трехлучевые интерференцпонные полосы с постоянной интенсивностью вдоль спектра (см, фиг. 2, а). Если между средним и краиними лучами ссгь 1 зазность хода Л(Х) изменяющаяся 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, Ь) . Для длин волн, на которых наблюдаются изопики, разность хода равна нечетному числу четверти длины волныЬ, = (К=1, 2, 3).4Известно, что при установлении равенства интенсивностей соседних полос с погрешностью + 5% положение изопика определяет 1ся погрешностью бЛ= - - длины волны.250Отсюда вытекает, что, определяя перемеще пие изопика по спектру, можно измерлть малые разности хода, создаваемые вводимым в средний луч веществом, с погрешностью1длины волны.250Чтобы 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 Лк(Х) с известной зависимостью от длины волнык( =- - , - , (2) 15 где Р(л) - диспсрсионнал функция калиброванной разности хода.При измерении плотносги р вещества, на пример газа, по показателю преломления и;,используетсл зависимостьи - 1=К(1) р, (3) где К(Х) - постошьная Гладстона-Дейла.25 Следовательно, введение в средний лучслоя вещества толщиной 1 создаст для длиныволны , дополнительную разность хода-- (4)И,) =30Это приведет к перемещению изопика вдольспектра (см. фиг. 2, б), Изопик с номером ь расположенный па длине волны 1.; в соответствии с равенством35 Я (гч)) сместится после введения исследуемого вещества па длину волны Хь определяемую соот ношением(6) 50которал связывает величину спектрального смещения Я.; изопика с .лотностью введенного вещества. Если припять, что55 Я) - Я,у) =),сКК(1)- л,то формулу (7) можно записать в виде К(г)Е 1, ) Ю х ) 60 Плотность вещества по предложенномуспособу измеряют путем выполнения следующей последовательности операций. Настраивают спектроинтерференционную схему изме рений (см. фиг. 1) на нулевую разность хода Обозначив величину спектрального смеще иия изопика через бл, =; - л из зависимостей (5) и (6) получим формулу1 (ч)"- Р (ч) -(г)1о.: (7)К(/ч) Едля всех длин волн (см. фиг. 2, а) . Вводят калиброванную разность хода и средний луч и фотографируют исходную спектроинтерференционную картину (см. фиг. 2, Ь). Помещают в средний луч вещество, плотность которого надо определить, и регистрируют рабочую спектроинтерферограмму (см. фиг.2, с). На полученных снимках измеряют 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, ИЗК, ИТРи др. Для эого необходимо изготовить приспособления, делающие их трехлучевыми, а на выходе установить стандартный спектрограф типа ИСП, ИСП, ДФС, СТЭи др.10 Предмет изобретенияСпособ измерения плотности оптическипрозрачного вещества, например газа, с применением трехлучевого интерферометра, отгичаюиийся тем, что, с целью повышения чувствительности и точности измерения 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.