Устройство для определения параметров сплошных сред методом рассеяния света

(21) 4034306/31- (22) 07,03,86 (46) .28,02,90, Б (71) Физико-техн рег5. по- ра- гона ующая чис,Ю,Канто ОПРЕДЕЛЕНИЯ СРЕД МЕТОДО И меристи м л етронияЦель арасовух Иэо тельнотносится к измери а именно к облас остик тодом еии хник иагностикиассеяния св шных сред методом Оно может быть исред зле ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЦТИЙМРИ ГКНТ СССР А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ юл. Р 8ический институтим. А.Ф.Иоффе(56) ОГГ-Ахя РаГЬ оп БРЬегхса 1М 1 ггог 1 пгегйегошесегя, В.Неггхог,Н,Коде 1 пх 1 с, Е.Кошрйпег, Арр 1.0 рЫся.3, и"4, р, 523, (1964),ТЬе ",араг - РЬаяе Еашап Бресггаапй где Е.пВ-Рцс 1 ег 1 п 8 ЧЬгагоп оГБоше РеШегагей Апа 1 ояя оГ ТгиаегЬУ 1 епе АхЫе, И,К 1 ейег, Н.1.Вегпягеп,Н,Иеяег, И.Папу 1 аК. Лоцгпа 1 оЕ шо 1 есц 1 ав яресггоясор, 43, пд, 3 р.393 (1972).(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯПАРАМЕТРОВ СПЛОШНЫХРАССЕЯНИЯ СВЕТА(57) Изобретение относится к иэ тельной технике, а именно к обла диагностики сплошных сред мето рассеяния света, и позволяет ув чить точность определения парам исследуемой среды путем увеличе энергии рассеянного излучения. повышение точности определения метров сплошных сред. Устройств стоит из источника излучения 3,2отражающих зеркал 1, 2 и блока страции рассеяннного излучения источника излучения световой лу падает в исследуемую среду и, о жаясь поочередно от зеркал, мн кратно пересекает ось наблюцени которой располагается регистрир аппаратураЗа счет возрастания проходов зондирующего луча через среду увеличивается энергия рассеянного в среде излучения, регистрируемая измерительной аппаратурой, и тем самым повышается точность определения параметров среды. Центры кривизны зеркал расположены в одной плоскости с осью входного луча иа смещены друг относительно друга так, что прямая, проходящая между ними, перпендикулярно линии их соединяющей, пересекает поверхности обоих зеркал. С Причем ввод излучения в устройство и центр кривизны зеркала, располо- Е женного со стороны ввода излучения, находятся по .разные стороны от ука аЬ эанной прямой, а расстояние между Ь 3 центрами кривизны зеркал не больше, Мфф .чем а /П, где Р - размер зеркала. в плоскости, проходящей через ось входного луча и центры кривизны зер- ф кал; а - расс"гояние от оси входного луча до ближайшего края зеркала, расположенного со стороны ввода излучения. 1 ил.3 пользовано, например, в диагвысокотемпературной плазмы мтомсоновского рассеяния дляления температуры и плотносттронов, в исследованиях структурыэнергетических уровней атомов и молекул методами комбинационного и вынужденного комбинационного рассея 5ния,На чертеже представлена схема устройства.Устройство включает зеркала 1.и2, С,Сположение центров кривизнызеркал, Б - ось входного луча,ось. наблюдения рассеянного излучения, , - точка пересечения оси входного луча с осью наблюдения,точка пересечения оси первого луча,отраженного от зеркала 2, с осьюнаблюдения. Точки , ; С Срасположены в одной плоскости с осьювходного луча Я. Для простоты рассмотрения показано устройство, состоящее из двух одинаковых зеркал,источника излучения 3, линзы 4, блока регистрации 5.Устройство работает следующим образом, 25Световой луч от источника излучения направляется в исследуемуюсреду, При этом он проходит мимозеркала, расположенного со стороныввода излучения, Фокусируется на осинаблюдения и попадает на другое зеркало. Это зеркало направляет луч назеркало, расположенное со стороныввода излучения, а от него луч отражается на другое зеркало.Таким образом, поочередно отражаясь от зеркал, луч многократнопроходит через среду, Фокусируясьна оси наблюдения. За счет этоговозрастает энергия .рассеянного в сре 40де излучения, а следовательно, иточность определения параметров среды. Аппаратура для регистрации рассеянного излучения располагаетсяна оптической оси устройства, проходящей через центры кривизны зеркал.Входной луч фокусируется в средес помощью линзы 4, проходя на расстояний аот края зеркала 1, и попадает на зеркало 2, которое распо 50ложено так, чтобы расстояние от осивходного луча до ближайшего краяэтого зеркала было равно а, а отраженный от него луч попадал на зеркало1 также на расстоянии а от его края55(см. чертеж ).Покажем существенность каждогопризнака для достижения положительного эфФекта. Прежде всего центры кривизны зеркал должны находиться в одной плоскости с осью входного луча, так как только в этом случае все отраженные лучи будут лежать в одной плоскости, что обеспечивает наилучшую локализацию энергии зондирующих лучей на оси наблюдения, лежащей в этой же плоскости.При размещении зеркала, расположенного со стороны ввода излучения, так, что прямая, лежащая в одной плоскости с осью входного луча и проходящая между центрами кривизны зеркал перпендикулярно к линии их соединяющей, пересекает поверхности обоих зеркал, а центр кривизны этого зеркала и ввод излучения находится по разные стороны от указанной прямой, и расстояние между центрами кривизны зеркал д удовлетворяет соотношению а ( а /П, где П - размер зеркала в2плоскости, проходящей через ось входф ного луча и центры кривизны зеркал, числопроходов луча между зеркалами увеличивается за счет постепенного сокращения расстояния между соседними точками отражения луча от поверхности зеркал по мере их удаления от оси входного луча, Точкамиотражения мы называем точки пересечения оси луча с поверхностью зеркал.а а 2При - ( й ( - отражающая поверх 4 Р Пность зеркал используется дважды, так как точки отражения сначала удаляются от оси входного луча, а затем снова к ней приближаются, пока луч не выйдет из устройства в области ввода излучения в направлении, противоположном входному лучу, Расстояние между соседними точками отражения сокращается при их удалении от оси входного луча и увеличивается при приближении к ней до первоначальной величины, равной примерно 2 а. Таким образом, увеличение числа проходов в указанном интервале величин Ь обусловлено как сокращением расстояния между соседними точками отражения, так и повторным использованием отражающей поверхности зеркал еП и а = а /Л используется толькоричетвертая. часть поверхности зеркал, а число проходов такое же, как в прототипе, и равно0- а50 С уменьшением Л число проходоврастет за счет увеличения используемой поверхности зеркал. КогдаагЙ "-то расстояние максимальной. 4 Рудаленной от оси входного луча точкиотражения до ближайшего края зеркаларавно а, и, если а = д/2, где д -диаметр входного луча на уровнезеркала, расположенного со стороныввода излучения, то вся отражающаяповерхность зеркал будет использоваться дважды. При дальнейшем уменьшении Д сначала часть луча, а затеми весь луч, точка отражения которогомакеимально удалена от оси входноголуча, выйдет за пределы отражающейповерхности зеркал, т.е. их поверхность будет использована только одинраз.Однако эа счет уменьшения расстояния между соседними точками отражения луча число проходов будетоставаться больше, чем в прототипе,а при совпадении центров кривизныстанет таким же, как в прототипе.Таким образом, при Д = а /40гдостигается максимальное число проходов луча в устройстве, которое4(0"а)равно примерно --- что в четыреараза больше, чем в прототипе,Иеобходимо отметить, что при указанном расположении центров кривизнь 1зондирующий луч пересекает ось наблюдения между точками пересеченияос ней входного и первого отраженноголуча, Поэтому пространственное разрешение вдоль оси наблюдения вустройстве остается таким же, какв прототипе, т,е, равным а. Гслицентр кривизны зеркала, расположенного со стороны ввода излучения, иввод излучения расположены по однусторону от указанной выше прямой,проходящей через центры кривизнызеркал, то расстояние между точкамиотражения луча на зеркалах возрастают при каждом проходе, что ведетк уменьшению числа проходов луча вустройстве. В этом случае уменьшается также и пространственное разрешение вдоль оси наблюдения.Б данном решении входной луч Фокусируется на осинаблюдения, где расположены и центры кривизны зеркал.Поэтому при многократных отраженияхот зеркал точки фокусировки луча 1 О 15 20 25 30 35 40 45 55 будут оставаться н этой же области,что создает хорошую локализацию энергии зондирующего излучения в исследуемом объеме и исключает воэможность разрушения зеркал при использовании для зондирования среды мощноголазерного излучения.Таким образом, при сохраненииуказанных положительных свойств прототипа данное устройство позволяетсущественно (примерно в 4 раза) увеличить число проходов луча черезисследуемую среду, т,е, во столькоже раз увеличить энергию рассеянногоизлучения,Такое увеличение рассеянной энергии приводит к возрастанию отношениямощности принимаемого сигнала к мощности флуктуаций вдвое, а это означает, что точность определения параметров среды улучшается в два раза,В данном решении зеркала расположены так, что прямая, проходящаямежду центрами кривизны зеркал перпендикулярно линии, их соединяющей,и лежащая в одной плоскости . с осьювходного луча, пересекает поверхностиобоих зеркал.Именно такое расположение зеркали их центров кривизны при соблюденииуказанного выше ограничения на расстояние .между ними позволяет эффективнее использовать отражающую поверхность зеркал за счет сокращениярасстояния между точками отражениялуча на зеркалах, т,е. получить больыое число проходов при хорошемпространственном разрешении и иСключить возможность разрушения зеркал мощным лазерным излучением,Так как реальный световой лучвсегда фокусируется в некоторой протяженной области, то для лучшей локализации энергии зондирующего излучения эту область надо расположитьнемного выше оси наблюдения (междуосью наблюдения и зеркалом, расположенным со стороны ввода излучения).В этом случае с каждым проходом лучаона будет уменьшаться в размерах,а ее центральная часть приближатьсяк оси наблюдения.Для получения максимальной точности измерений при использованииустройства его необходимо организовать следующим образом;Зеркала расположить отражающимиповерхностями напротив друг друга10 15 на расстоянии, равном сумме их .радиусов кривизны, Регистрирующую аппа-.ратуру разместить на оси наблюдения,проходящей через центры кривизнызеркал перпендикулярно линии, пересекающей поверхности обоих зеркал.Источник излучения расположить такимобразом, чтобы входной луч, минуязеркало 1, фокусируясь на оси наблюдения, попадал на зеркало 2, Краявходного луча надо максимально прижать к границам зеркал так, как покасзано на чертеже. Если диаметр лучана входе в устройстве равен Й, тодля получения максимального числапроходов беэ потерь света, связанныхс диафрагмированием луча оправкамизеркал, расстояние от оси луча доближайших краев зеркала а надосделать равным й/2,Второе зеркало поставить так,чтобы отраженный от него луч, проходя через ось наблюдения, попадална первое зеркало. Причем расстояниемежду осью этого и входного лучейна уровне первого зеркала должнобыть равно д, а оба луча и осьнаблюдения лежать в одной плоскости.В этом случае расстояние между точкамии , и пространственноеразрешение вдоль оси наблюдения будет равно й/2,Наклонами зеркала 1 добиться появления точек отражения луча на зеркалах. Затем, наклоняя зеркало вокруг оси, параллельной оси наблюдения, установить все точки отраженияна обоих зеркалах на прямых, такжепараллельных оси наблюдения. Наклоняя зеркало в поперечном направлении,добиться максимального числа проходов,луча, исло проходов можноконтролировать при помощи плоскопараллельной отборной пластинки,которая помещается на пути распространения лучей.Очевидно, что аналогичное устройство можно построить из двух зеркалс разными радиусами кривизны. Зеркала располагаются на расстоянии,равном сумме их радиусов кривизны,центры кривизны зеркал смещены друготносительно друга .перпендикулярнопрямой, проходящей через оба зеркала,Пространственное разрешение на оси 20 25 30 35 40 45 50 55 проходящей через цент 2 Вл ры кривизны зеркал равно --12 Р Для полного использования отражающей поверхности зеркал иэ размеры должны удовлетворять соотношению Г,/Р = Е /Е . Максимальное число проходовд луча в устройстве равно 8 (О, - -)/с 1. , Здесь Р 1 - размер зеркала, со стороны которого вводится излучение, Я , К - радиусы кривизны зеркал. Формула изобретения Устройство для определения параметров сплошных сред методом рассеяния света, включающее источник излучения, два сферических отражающих зеркала, расположенных отражающими поверхностями напротив друг друга, и блок регистрации рассеянного излучения, установленный на оси наблюдения, при этом край зеркала, ближайшего к источнику излучения, расположен на расстоянии а до оси входного луча, а расстояние, на котором расположены зеркала, равно сумме их радиусов кривизны с центрами кривизны, лежащими в одной плоскости с осью входного луча, о т л и ч а ю - щ е е с я тем, что, с целью повышения точности определения параметров сплошных сред путем увеличения числа проходов зондирующего излучения через исследуемую среду, зеркало, ближайшее к источнику излучения, край которого расположен на расстоянии а до оси входного луча, установлено так, что прямая, лежащая в одной плоскости с осью входного луча и проходящая между центрами кривизны зеркал перпендикулярно линии их соединяющей, пересекает поверхности обоих зеркал, причем центр кривизны этого зеркала и точка пересеченйя оси входного луча с линиеи, соединяющей центры кривизны зеркал, находятся по разным сторонам от указанной прямой, а расстояние между центрами кривизны зеркал д удовлетворяют соотнонению 0 са /Р, где 0 - размер зеркала в плоскости, проходящей через ось входного луча и центры кривизны зеркал.