Способ измерения скоростей направленного движения компонентов газовых и плазменных потоков

(21) 466 (22) 27.0 (46) 15.0 (71) Ин СССР (72) В.Н периоду б дят о скор щего иэл частоте ре ды и изме величину релаксац ного пер(л С Целью изобретние диапазона измстанционности споСущность изобющем.В среду посылаэерного излучениястоте резонансной Изобретение.к мики и диагност найти применени дистанционного и квазимонокинетич ных компонентов га ектов,ния является ряемых скор оба,етения состо сшире ей иди в следуПИСАНИЕ И ТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ 95/258993. Бюл, %14итут оптики атмосферы(56) Дубнищев О.Н. и Ринкевичюс Б.СМетоды лазерной допплеровской энемометрии. - М.: Наука, 1982, с,303.Зсечепзоп ЮНЯаптоз В., Меиег З.С.А азег чеостелег цтгп 9 азег - опбосебЛцогесепсе, Арр. РЬуз.ек, 1975, ч.27, М7, р. 395-396,(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТЕЙНАПРАВЛЕННОГО ДВИЖЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ ГАЗОВЫХ И ПЛАЗМЕННЫХ ПОТОКОВ(57) Изобретение касается газовой динамики и диагностики плазмы и может найтиприменение для бесконтактного дистанционного измерения скоростей квазимоноки-,нетических потоков отдельных компонентовгазово-плазменных объектов. Целью изобретения является расширение диапазонаизмеряемых скоростей и дистанционностиспособа. Для этого в исследуемую среду посылают серию импульсов лазерного излучения, вызывающего флюоресценциюопределенного компонента среды, принимают излучение флюоресценции среды и по сеется газовой динаики плазмы и может е для бесконтактного змерения скоростей ских потоков отдельзово-плазменных обь, Ы 1644609 А 1 иений в принятом излучении суости потока. Частота зондируюучения выбирается близкой к зонансной флюоресценции среняется от импульса к импульсу на2 ув, где ув - константа ии верхнего уровня реэонансехода, начиная от величины бвахМвп =оЬ еео Сув, где аЬ - частота резонансного перехода; д - индуцированный дипольный момент этого перехода; у- скорость распада индуцированного дипольного момента; вах- максимальная интенсивность излучения лазера; С - скорость света; Ь - постоянная Планка; е - диэлектрическая проницаеаюсть срвды; я - диэлектрическая проницаемость вакуума, и заканчивая величинойбвахшвах - Ю 0 +Ь ее, Сув. Одновременносрасстройкойчастоты д =в -аь относительно резонанса меняют интенсивность излучения лазерапо закону=2 С йу (д+у)ее,/(д 2 у), а длительность импульса генерации г выбирают в диапазоне 2/ув ( г ( 10/у. 2 ил. ют серию импульсов лас частотой, близкой к чафлюоресценции среды,=у личину м = 2 7 г /Т. а следовательно, знаяи д , скорость Ч изменяя от импульса к импульсу частоту излучения в на величину 2 уа 1, где уп - константа релаксации верхнего, уровня резонансного перехода, начиная.от величины5 где во - частота резонансного перехода;б - индуцированный дипольный момент этого перехода;у- скорость индуцированного диполь- ного момента;еах - максимальная интенсивность излучения лазера;15С - скорость света;Ь - постоянная Планка;е - диэлектрическая проницаемость среды;е, - диэлектрическая проницаемость 20 вакуума,.и заканчивая величиной одновременно с расстройкой частотыд = О) - во относительно резонанса меняяинтенсивность излучения лазера по закону30 где Ч- проекция скорости потока на направление распространения лазерного излучения. Выражение (6) содержит осциллирующие 35 с частотой ю и затухающие во времени члены, которые при определенном соотношении величин Р у, у)п и длительности импульса т проявляются как осцилляции в импульсе спонтанного испускания. Для оп ределения величины 1 достаточно существования хотя бы одной осцилляции (двух максимумов) в отклике спонтанного испускания, По расстоянию между максимумами легко определить период осцилляций Т и т,о. ве а длительность импульса генерации т выбирают в диапазоне Расчетным путем установлено, что импульс интегральной по спектру мощности спонтанного испускания одного атома Юсп = = Ь йъ Аао уЪ ( т ) . где рга (т) - зависящая от времени заселенность верхнего уровня резонансного перехода в - О, Аа)о - первый коэффициент Эйнштейна), инициируемый лазерным импульсом с несущей частотой в и огибающей амплитуды Е(1), может в режиме линейного по интенсивности лазерного излучения поглощения содержать несколько осцилляций с периодом, определяемым разностью частот щ и вь, Так, например, для близкого по форме к реальным импульсам лазеров "двухэкспоненциального" импульса где Ео, а и ф - константы, задающие величину максимума амплитуды электрическогополя и длительность импульса. заселенность ра 1 (т) имеет вид Ч = (2/Т - д )/К, Р)Небольшие поправки, вносимые в измерения Т по максимумам осцилляций общим фоном импульса спонтанного испускания, легко рассчитать, используя формулы типа (6), и затабулировать либо аппроксимировать их несложной зависимостью от параметров и,г и у/уп) . Необходимымусловием существования осцилляций является достаточно большая длительность импульса тк) 4 л/м, % Области существования осцилляций при изменении параметров ю, г и у/ул 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 1 х, 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 спомощью соотношения (4), либо более точных соотношений, следующих из расчетных5 данных: В случае, если все контролируемыепараметры находятся в допустимых пределах, производится дальнейшие операции.Если часть (или все) контролируемые параметры не удовлетворяют установленным тре 10 бованиям, производится выдача соответствующей диагностики на дисплей ЭВМ 8,Возбуждающий импульс, попадая в зондируемую область потока 16, вызывает резонансную флюоресценцию среды, которая15 собирается приемной оптикой 17 и поступает на электронно-оптическую камеру-приемник 10, соединенную с ПЗС-матрицей 12и аналого-цифровым преобразователем 14,сигнал с которых поступает на ЭВМ 8, где20 по специальному алгоритму производитсяанализ формы импульса флюоресценции(фиг.2) с целью выявления осцилляций и определения их периода Т, В случае, когдаосцилляции существуют, по формуле (7) с25 использованием известных значений расстройки частоты д, волнового числа К ипредварительно определенного периода осцилляций Т извлекается искомый параметр- продольная составляющая вектора скоро 30 сти К Затем автоматически производитсяследующий цикл измерений, заключающийся в переопределении исходных параметровимпульса, а именно, величина д заменяется на д = д + 2 1 Ъ, величина 1 аах - на зна 35 чение, рассчитываемое на ЭВМ 8 по.формуле (3) с подстановкой туда величины д ,и запуск генерации лазера с последующимидействиями, описанными выше, Измерениязаканчиваются по достижении предельного40 значения расстройки частоты д . По окончании измерений на дисплей ЭВМ 8 выводятся результаты измерения скорости длятех импульсов, которые содержали осцилляции, с указанием нумерации импульсов, числа45 осцилляций и приводятся неусредненные иусредненные значения скорости. В случае,если ни один из импульсов не содержалосцилляций, на дисплей ЭВМ 8 выводитсясоответствующая диагностика, а также диа 50 паэон скоростей, охваченный задаваемымизначениями йьп 1 п и ОЪахИспользование этого способа наиболееэффективно для бесконтактного, дистанционного, не нарушающего состояния исследуемого объекта измерения больших поступательных скоростей различных компонентов(атомов, ионов, молекул, радикалов) в быстро- протекающих газовых и плазменных процессах, что позволяет делать заключен,;я офизике процесса и проводить его оперативный контроль с временным разрешением - 10 с и пространственные разрешением:8в пределе, определяемом длиной волны лазерного излучения, Диапазон измерения скоростей потоков на примере атомов натрия для лазерного источника.с пиковой мощностью 10 мВт/и составляет 10.52 10 м/с, что является существенным рас 5щирением 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, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, сьцелью расширения диапазонаизмеряемых скоростей и дистамционности способа, посылают серию импульсов излучения с частотой, близкой к частоте резонансной флюоресценции среды, изменяя от 5 импульса к импульсу частоту излучения в на величину2 уя, где у - комстанта релаксации верхнего уровня резонансного перехода, начиная от величины 10 ,-4 ЗА:К яео Су где йЪ. - частота резонансного перехода;д - индуцированный дипольный момент 15 этого перехода;у- скорость распада индуцированного дипольного момемта;щах - максимальная интенсивность излучения лазера; 20 . С - скорость света; и - постоянная Планка;е - диэлектрическая проницаемость среды;е, - диэлектрическая проницаемость вакуума, и заканчивая величиной +ди ее, Су одновременно с расстройкой частоты д = в - вь относительно резонанса меняют интенсивность излучения лазера по закону1 =2 СЬ уп (д +Р )еео 1(б у), а длительность импульса генерации к выбирают в диапазоне 40г/у г 10/у1644609 Составитель С,КлиментовТехред М,Моргентал Коррек Редактор Л.Лашкова с Заказ 1968 Тираж Подписное 8 НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035. Москва, Ж, Раушская наб 4/5 агарина, 101 Производственно-издательский комбинат "Патент о