Способ определения параметров состояния молекулярных газов

СНИХ СОЦИАЛИСТИЧЕРЕСПУБЛИН р 1 С 01 Н 2 ПИСАНИЕ БРЕТЕН ЕЛЬСТВ ф:,фДаЧАВТОРСКОМ лос пер Красного ЗнаАН Белорусской лич аюалентныеуемых глах 2. С о экв иссл преособ но п. я тем, чт Вф линий выбирают 2.( 1 твенно доппл квивалентны линий в сре, где с и 7(Ф еров ские полуши 1 е щйринй спектре. соответрины иральных УДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(71) Ордена Трудовогоменя институт ФизикиССР(56) 1, Ачасов О,В, и др. О диагностике молекулярных состояний углекислого газа по резонансному поглощению излучения СО-лазера. - ДАН СССР, 1979, т. 249, В 6, с, 1353-1356,2. Бахир Л.П., Оверчеико Ю.В. Определение заселенностей колебательных уровней молекулы СО в газодинамичес-, ких лазерах методамй ИК-спектроскопии. - ЖПС, т. 30, 1979, В 1, с. 44- 45 (прототип).(54)(57) 1. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ СОСТОЯНИЯ МОЛЕКУЛЯРНЫХ ГАЗОВ- запаса колебательной энергии Е , колебательных температур 7 ,.со/.держания молекул Р; и заселенностей колебательных уровней К- в колебательно-неравновесных разреженных средах, включающий измерение средней спектральной интенсивности излучения Э , определение среднего спект рального поглощения аисследуемой среды в интервалах частот Ь, расположенных в максимумах из уч я колебательно-вращательных по еходов в осчовное состояние О - О, по которым определяют искомые параметры, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью уменьшения погрешностей измерений, расширения тинов диагностируемых сред и обеспечения дистанционного определения параметров, излучение среды пропускают через кювету, наполненную смесью исследуемых газов с газом-разбавителем, выделяют излучение каждой исследуемой молекулярной составляющей среды в интервалах частот Ь 4,О на участках линий с оптической толщиной К10 измеряют суммарное поглощенное на этих участках излучение среды и определяют по нему среднее значение-01Функции. Планка 3 ,а среднее поглощение среды находят из отношенияЭС( ф - +.1 11465Изобретение относится к области инфракрасной спектроскопии и предназначено для.определения параметров состояния молекулярных газов: запаса колебательной энергии е температур заселения колебательных уров ней . Т , содержания рабочих молекул Р и. заселенностей колебательных уровней М,молекул СОг, И О, СО, НР, СВг и других в активных средах молекулярных лазеров: электроразрядных, газодинамических, ионизационных и с другими системами возбуждения. Кроме того, оно может быть использовано для определения парамет" 15 ров состояния молекулярных газов в химических реакторах низкого давления, в том числе лазерных, в факелах ракет на больших высотах и различного рода сверхзвуковых струях, истекающих в вакуум, в космических экспериментах нри исследовании процессов, происходящих в верхних слОях атмосферы Земли и других планет солнечной системы.25Известен способ определения запаса колебательной энергии, температур заселения лазерных уровней, содержания рабочих молекул и заселеннос. - тей лазерных уровней в активных средах СО - и Н О -лазеров основанныйг 2Фна измерении коэффициентов усиления среды в центрах спектральных линий К ( 4 ) на двух лазерных перехоо дах 001, )-110 О, 1 и 00 1, -1 -ю 02 О, ) 1.Недостатками данного способа являются низкая точность определения параметров, сложность реализации и ограниченная область применения. 40 Требуется сложная теоретическая обработка данных, включающая некорректный учет формы спектральйых ли- . ний. Необходимо стабилизировать и контролировать положение и интенсив ность излучения линии, генерируемой просвечивающим лазером, производить перестройку генерации то на один, то на другой переходы. Для диагнос 1 и. ки СОг -лазера может быть применен 50 только СОг-лазер, а для диагностики Иго- СЯг- н других лазеров только ИО-, СБ- и другие лазеры. Промышленностью выпускаются только СОг-лазеры, удовлетворяющие необхо димым требованиям. Способ не позволяет диагностировать удаление объектов. 8 б, 2Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ определения параметров состояния молекулярных газов - запаса колебательной энергии е колебательных температур Т, содержания молекул Р и заселенностей колебательных уровней Ю - в колебательно 0неравновесных разреженных средах, включающей измерение средней спектральной .интенсивности излучений 1, определение среднего спектрального поглощения а", исследуемой среды в интервалах частот И,а, расположенных в максимумах излучения колебательно-вращательных полос переходов в основное состояние-ф О, по которым определяют искомые параметры Е 2 Я.Исследуемую среду просвечивают источником непрерывного излучения, промодулированного с частотой Х . Собственное излучение среды модулируют с частотой г 7 1,. Излучение источника, прошедшее через среду, и излучение среды направляют на приемник излучения с набором светофильтров. Из общего сигнала приемника выделяют сигнал, пропорциональный излучению просвечивающего источника, ослабленному средой, и сигнал, пропорциональный интегральной интенсивности излучения спектральных линий исследуемой среды в интервалах час" тот й), д, где д - расстояние между линиямиТаким образом регистрируют одновременно средние в интервале частот й 4" 7 д спектральные поглощения а = 1 - Ф и интенсивности излучения Э,1 исследуемой среды на различных переходах, выделяемых с помощью фильтров. По измеренным величинам находят значение функции Планка1Э": -Вт/см. ср см-",. (1)"о 1По 3 для переходов 00 1 - Оофо находят запас колебательной энергии Ев асимметричном типе колебанийЗф. ООф 1-ОООО(2)С/тгде С 3,74-10 Втсм"- перваяйрадиационная постоянная4 - частота излучения, сьг";и колебательную температуру верхнего уровня Т 001 из выражения функции Планка1146 Е д ь О ою о 1 С Ъ с - 1 ИХР 4 Г 15 20 где С = 1,4388 смК - вторая радиационная постоянная-о оПо Эдля переходов 02 1 -000 и 10 0 - 000 находят из выражения (3) Тодобад, . а затем из соотно щения Еоф обад Ерф ыф - Ед Еоос -+ 1/ )фо,о 2 д То о,ктоТодд где Е - энергия колебательных уров ней находят Т д д Т одоДалее принимают То.од равной поступательной температуре Т, и по измеренным Б ., использУя расчетную1зависимость 5 =Цу Е) при извест" ных Т и общее давление среды Рб,обоф определяют содержания молекул Р.,Ф (а затем рассчитывают заселенности уровней 00 д 1, 02 О, 10 О, 10 1, 021 по формуле я:пр. о ехр -- ,о ТТ) К, - степень вырождения уровня Й Т) - колебательная статистическаясумма.Недостатком известного способа является то, что с его помощью колеба" тельные теяпературы уровней 00 1, 10 дО, 02.О, 10 о 1, 021 могут быть оп-. ределены только для наиболее сильных трехатомных молекул, таких как С 02, 40 И О, СЯ, БО, и лишь при больших размерах автипной среды 2 = 100 - 200 см. При размерах среды Е .6 10 см колебательные температуры уровней 101, 02 1, 02 0 не могут быть опре делены, так как среднее спектральное поглощение в максимумах полос 10 1, 02 000 в области длин волн 2,7 мкм невелико и не может быть надежно измерено. В связи с этим 50 недостаточна также точность определения Тод и содержания молекул Р, .Диагностика активной среды с помощью известного способа производится, по направлению оси резонатора, по которому среда имеет наибольшие размеры. В то же время для контроля эффективности его работы необходимо 586 4определять Т . и Т , , в процессеооддо,овфогенерации по излучению и поглощениюсреды в направлении, перпендикулярном резонатору, имеющей значительноменьшую толщину ( Е х 10 см), чемпо его оси. При малых размерах струис помощью известного способа не могуттакже быть определены колебательныетемпературы рабочих молекул в весьма перспективных СО-, НР-, НС 1-ла"зерах, так как основные полосы молекул СО, НР, НС 1 значительно слабееосновной полосы СО .Цель изобретения - уменьшениепогрешностей измерений, расширениетипов диагностируемых сред и обеспечение дистанционного определенияпараметров состояния молекул,Поставленная цель достигается.тем,что согласно способу определенияпараметров состояния молекулярныхгазов - запаса колебательной энергииИ колебательных температур Т ,содержания молекул Р, и заселеннос-,тей колебательных уровней И - в ко-лебательно-неравновесных разреженньхсредах, включающему измерение сред-,ней спектральной интенсивности излучения Э , определение среднегоспектрального поглощения аисследуемой среды в интервалах частотЬФ, о, расположенных в максимумахизлучения колебательно-вращательных)полос переходов в основное состояние 4О, по которым определяют искомые параметры, излучение среды пропускают через кювету, наполненнуюсмесью исследуемых газов с газомразбавителем, выделяют излучениекаждой исследуемой молекулярной составляющей среды в интервалах частот а 1 . 0 на участках линий соптической толщиной Т 10, измеряютсуммарное поглощение йа этих учйстках излучение среды и определяютпо нему среднее значение функции План.ка Э , а среднее поглощение средыжнаходят иэ отношения , ут 1 оВПри этом эквивалентные ширинылиний исследуемых газов в кювете.выбирают в пределах 2 (й 6 - В,е к(1 сгде у и М - соответственно допплеровские полуширины и эквивалентные ширины спектральных линий в среде.На фиг. 1 изображено устройстводля реализации способа определенияск 1 с2 3 фФ2 Жи поглощает из,лучение среды в пределах горизон- "5тальных участков линий, которые всвязи с этим являются для него "квазичерными". Нижний предел Фограничивается допплеровской ширинойспектральных линий 2которая 5 Ов максимумах полос 000-Ооф 1 СОфгОО 0-101 СО, и ОСО при т =ЗООКпри Л = 4,25; 268 э 4,59 мкм рав- на соответственно 0,0044; 0,00680,005 см .,Для обеспечения наибольшего спектрального разрешения давле-ние в селективном приемнике иэлуче"ния не должно превышать 0,003 -1146 параметров состояния молекулярных газов, на Фиг. 2 - устройство для реализации способа для газовых сред, содержащих молекулы с близко расположенными и перпекрывающимися колебательно-вращательными полосами,Устройство содержит объектив 1, диафрагму 2, модулятор 3 линзу.4, набор светофильтров 5, селективные приемники б и 7 излучения, линзу 8, 1 О неселективный приемник 9 излучения, регистратор 10 суммарной интенсивности излучения от центральных участках д 4 линий, регистратор 11 средней спектральной интенсивности из лучения исследуемой среды в пределах полос пропускания светофильтров. Излучение исследуемой среды фокусируется объективом 1 на диафрагму 2 и модулируется модулятором 3 - вра щающимся диском с отверстиями. Линза 4 Формирует параллельный пучок излучения среды, просвечивающий кюветы селективных приемников 6 и 7 излучения. Прошедший через них пу чок Фокусируется линзой 8 на приемную площадку неселективного приемника 9 излучения. Максимум пропускания светофильтров совпадают с максимумом излучения в области полос 300 и ширина полосы пропускания светофильтров выбирается такой, чтобы выделить набор спектральных линий, имеющих плоские вершины на участках с Ф10, характеризующиеся35 поглощанием а (1) = 1 и интенсивностью излучения, совпадающей с функцией Планка. Исследуемый газ, помещенный в кювету селективных приемников, имеет более узкий контур спектральных линий с эквивалентными ширинами, находящимися в пределах 586 б0,005 атм. Модулированный сигнал, вырабатываемый селективным приемником излучения, прямо пропорционален среднему значению функции Планка в пределах полосы пропускания светофильтра. Неселективный приемник излучения поглощает суммарное излучение спектральных линий в пределах пропускания светофильтрови вырабатывает сигнал, пропорциональный 3 . При смене светофильтров приемники излучения с подключенными к ним регистраторами фиксируют спектральные интенсивности излучения среды 3, и Э последовательно в различных полосах исследуемых молекул. Обработка полученных значений интенсивностей излучения среды ведется с применением выражений (1) - (4), приведенных при описании известного способа определения параметров состояния молекулярных газов.В устройстве (фиг. 1), предназначенном для диагностики активной среды электроразрядного С 02 -лазера, в котором наряду с рабочими молекулами СО 2 и азотом присутствуют в небольших количествах СО, образовавшаяся в зоне разряда, в качестве селектнвных приемников излучения использованы оптико-акустичЕские приемники (ОАП) с кюветами диаметром 10 мм, длиной 145 мм, имеющие при оптимальной частоте модуляции Г 120 Гц ипостоянной времени й = 1 с порог чувствительности Ф ,.= 10 "Вт.В кювете первого оптико-акусти- ческого приемника объемные содержа 0,8 и 99 . а второго гсо = 25 ,со 2гн = 75%. Эквивалентные. ширины линийо в максимумах основных полос 00 0 - 0(11 СО, 0-1 СО Ф ф = 0,005 см", а в полосе 00 фоСО 2 - 0,007 см . Оптические толщины в центрах линийисследуемой среды при Р, = 0,05 атм,толщине слоя 2 = 100 см достигаюттребуемого значения= 10 вмаксимумах полос Оофои 00 0 -10 1 С 02 при г со = 0,05 и 57%а в полосе 0-1 Со,при г срь = 027%характеризующих нижний предел пог,лощающих масс, при которых может быть реализован:способ. При этом эквивалентные ширины линий в исследуемой среде на порядок выще чем в кюветах приемников, Требование Щк11 сй- ф выполняется с 2-3-кратным запасом2В качестве неселективного приемника 9 излучения используется охлаждаемое фотосопротивление Э зь (77 К)с размерами площадки 3 3 мм, Ф == 10 "Вт, спектральная чувствительность которого постоянна в областипропускания светофильтров,Объектив 1 и линзы 4,8 выполненыиз флюорита и имеют световые диаметры 25 и 8 мм, фокусные расстояния 10100 и.30 мм. Диафрагма 2 имеет диаметр 3 мм. Иодулятор 3 модулируетизлучение с частотой 120 Гц. В кассете установлен набор светофильтровс Ь,= 4,25; 2,68; 4,59 мкм и . 15полушириной полосы пропускания0,5 ьМ= 30 см ". Регистраторы 10,11 сигналов включают в себя усилитель, детектор с низкоомным выходоми гальванометр светолучевого осциллографа. Селективные оптико-акустические приемники 6 и 7 подключенык одному регистратору 10, а фотосопротивление - к другому регистратору 11. 25В устройстве (фиг. 2), предназначенном для диагностики химико-газо- динамического СО -лазера, работаю-. щего на смеси СБ:СО:М 2 с вдувом в сверхзвуковой поток Н О, по каналу которого состав смеси непрерывно изменяется, используются те же самые объектив 1, диафрагма 2, модулятор 3, линза 4, селективные приемники 6.и 7 излучения, регистрато- ЗЗ ры 10 и 11, что и в устройстве, выполненномпо схеме фиг. 1. Набор светофильтров 5 настроен на максимумы излучения в Р-ветвях переходов 00 1-00 0 СО, И О, СБ и К-ветви ф 0 перехода 1-0 при поступательной температуре среды Т = 300 К, расположенные при длинах волн 4,3; 4,44 6,5, 4,6 мкм и имеют полуширину 0,5 ь 4 также равную 30 см . За светофильтрами установлено три полупрозрачных зеркала 12, разделяющих выходящий из линзы 4 параллельный пучок на три пучка, В каждом пучке установлены друг за другом по два 0 селективных приемника излучения, наполненные смесями с водородом одного из исследуемых газов с перекрывающимися полосами, а именно СО, ЯО и СО, а также СЯ ,который может быть добавлен в любую пару селективньпс приемников с .СО , И 0 и СО, так как имеет близкую к ним йо интенсивности, но удаленную основную полосу. Первый ряд ОАП осуествляет прямое измерение фуйкцииоанка среды Э (Т, Т ) для основных полос молекул. Иолекулы с перекрывающимися полосами помещаютсяв различные оптико-акустические приемники, чтобы избежать их взаимноговлияния. Второй ряд оптико-акустических приемников 7 (фиг. 2) так же,как и неселективный приемник 9 излучения в первом устройстве, осуществляет измерение средней спектральнойинтенсивности излучения среды у,Замена фотосопротивления, обладающего постоянной чувствительностьюв области пропускания светофильтров,набором селективных оптико-акустических приемников, наполненных смесями одного из исследуемых газовс водородом, обеспечивает измерениесредних спектральных интенсивностейизлучения 3= а; Э,"ТТ, поглощения среды В, и в конечном итогеопределение содержания молекул с близкорасположенными колебательно-вращательными полосами с высокой точностью до +103.Благодаря тому, что определениепараметров состояния молекул основано на измерении интенсивности собственного излучения среды, данный способ позволяет определятЬ параметрыдистанционно и.для значительно большего числа типов колебательно-неравновесных разреженных сред.Способ обепечивает также прямоеизмерение функции Планка с существенно более высокой точностью, чемизвестный.увеличение точности в два разаобусловлено тем, что отпадает необходимость в определении поглощения,учета соотношения формы молекулярныхполос излучения среды и полос пропускания светофильтров и их взаимногорасположения (еще в 1,5 раза), возможен корректный учет поглощенияатмосферой (еще в 1,5 раза). Безпринятия особых мер может быть достигнута точность определения фщнкции Планка указанным слособом йЗХ,тогда как у известного способа онасоставляет 1 10 и 1153 цри наличииатмосферного поглощения,Предлагаемый способ обеспечивает прямое определение запаса колебательной энергии с точностью в 3 раза9 11465 более высокой, чем известный. Соответственно повышается точность определения колебательной температуры из Функции Планка,Погрешности определения среднего поглощения 6 молекулярных газов по предлагаемому способу в два раза нижеФ погрешностей определения интенсивности излучения, не зависят от величи,ны 5 и составляют й 67. Нижний О предел измеряемых а и концентраций на два порядка меньше, чем у извест ного способа и ограничивается величиной потока собственного излучения 86 10исследуемой среды, .которая может бытьзарегистрирована приемником, Связьмежду поглощением и содержанием молекулярных газов в среде определяется зависимостью, пропорциональнойкорню квадратному, в связи с чемошибки определения содержания достигают +103. Наибольший выигрыш вточности наблюдается на нижнем пределе измерений при .8С 0,2. Погрешности определения М сосМтавляют +10 - 157 и также не зависятот величины среднего поглощения а .1146586 оставитель Лехред Т.Дуоиич иков ич ак Кор С,Патруш едакто каэ 1356/3 В