CN103926173A - 一种气体介质中分子扩散系数的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体介质中分子扩散系数的测量装置和方法，包括标记激光器、显示激光器、ICCD相机和延迟发生器；标记激光器的输出激光经整形为标记线状激光束，显示激光器的输出光束经整形为片状显示激光束，标记线状激光束处于片状显示激光束的所在的平面内，片状显示激光束处于待测气体介质中，ICCD相机正对片状显示激光束成像；延迟发生器的三路延时输出端分别接标记激光器、显示激光器和ICCD相机。本发明建立了一种新的分子扩散过程观测方法，这种观测方法能够实现非稳态条件下分子扩散过程的精确测量，可用来观测现有技术无法观测的部分分子的扩散过程，进而测量得到气体分子的扩散系数。

Description

一种气体介质中分子扩散系数的测量装置及方法

技术领域

本发明属于分子扩散过程观测，特别是涉及一种气体介质中分子扩散系数测量装置和方法。

背景技术

对于由两种或两种以上分子组成的混合气体，只要它们的相对浓度在各点之间是不同的，那么一定会存在自发扩散过程来减少组分的不均匀度。这种与体系内部任何对流无关的宏观质量传递，被定义为分子扩散(Moleculardiffusion)。扩散起因于会导致完全混合的分子随机运动，描述扩散的基本数学模型——费克扩散定律引入了扩散系数，扩散系数是表示物质扩散能力的物理量。扩散系数是研究扩散过程的关键参数，因此，测量扩散系数就成为扩散研究的主要任务之一。

目前测量扩散系数的方法主要有：1)膜池法。该方法操作简单，对设备要求也不高，且测定准确。其缺点是操作时间长，并且当膜内微孔较大时会产生主体流动。一般主要用于测量液体溶液中分子的扩散系数；2)光干涉法。该方法的优点是快速准确，能够直接测定扩散系数的绝对值，但对实验设备要求较高。由于主要由被测介质折射率的不同获得干涉条纹，因此一般不适合于测量折射率变化微小的气体分子扩散系数；3)Taylor法。该方法的优点就是测定速度快，操作方便且可以在高压下操作。其缺点是实验所用的细长管必须是内表面非常光滑的毛细管，以保证流体能在管道内作滞流流动，而内表面光滑的毛细管是不容易得到的。另外毛细管必须很长，而实际生产中很长的毛细管往往做成螺旋状，因此将产生误差；4)核磁共振法。该方法是利用测定置于外磁场中试样的原子核磁于一定条件下透出的电压峰值进而计算扩散系数。其优点为测定时间短，可以排除外界的干涉，并且可以在高压下操作。该方法的缺点是只适用于分子中至少有一种核磁矩与角动量均不为零的物质。5)放射性同位素法。是一种利用物质和其放射性示踪物之间的相互扩散系数代替自扩散系数的方法。该方法广泛应用于自扩散系数的测量。

上述分子扩散系数测量方法大多只能测量溶液中的分子扩散系数，或是在静态条件下测量部分特定气体组分的扩散系数。对于一般非静态条件下的气体介质，特别是燃烧环境下分子扩散系数的测量，目前尚没有有效的方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：建立一种新的分子扩散过程观测方法和装置，利用该方法可以观测气体介质中部分组分的扩散过程，可以测量得到分子的扩散系数，弥补现有分子扩散系数测量方法的不足。

本发明的技术方案如下：

一种气体介质中分子扩散系数的测量装置，包括标记激光器、显示激光器、ICCD相机和延迟发生器；所述的标记激光器的输出激光经整形为标记线状激光束，所述显示激光器的输出光束经整形为片状显示激光束，所述的标记线状激光束处于片状显示激光束的所在的平面内，所述的片状显示激光束处于待测气体介质中，所述的ICCD相机正对片状显示激光束成像；所述的延迟发生器的三路延时输出端分别接标记激光器、显示激光器和ICCD相机。

上述气体介质中分子扩散系数的测量装置中，标记激光器是可将H₂O解离为OH并进行标记的激光器或者是将NO₂解离为NO并进行标记的激光器。

上述气体介质中分子扩散系数的测量装置中，标记激光器为输出波长193nm的ArF准分子激光器。

上述气体介质中分子扩散系数的测量装置中，显示激光器为能被羟基共振吸收并产生荧光的激光器.

上述气体介质中分子扩散系数的测量装置中，显示激光器为输出波长282nm的可调谐染料激光器。

上述气体介质中分子扩散系数的测量装置中，ICCD相机窗口前安装有滤光片，所述的滤光片对显示激光所激射的荧光波长高透射，对其他波长吸收或反射。

上述气体介质中分子扩散系数的测量装置中，滤光片6的中心波长为310nm，半高宽为20nm。

一种分子扩散系数测量的方法，包括以下步骤：

[1]设置延迟发生器的延时时间，使ICCD相机曝光时间与标记激光器、显示激光器同步输出，用相机拍摄初始时刻标记激光被气体共振吸收产生的荧光图像，计算初始时刻被标记分子空间分布曲线的半高宽d₀；

[2]调节延迟发生器参数，保持ICCD相机的曝光时间与显示激光同步，调节数字脉冲延迟发生器，将标记激光与显示激光之间的延时调节至预设时间t，用相机拍摄标记激光被气体共振吸收产生的的荧光图像，计算经过时间t后被标记分子空间分布曲线的半高宽d_t；

[3]将扩散时间t、d₀和d_t代入

$D=\frac{{d_t}^2-d_0^2}{8\ln 2\·t}$

计算出分子扩散系数D。

本发明具有的有益技术效果如下：

1、本发明建立了一种新的分子扩散过程观测方法，这种观测方法能够实现非稳态条件下分子扩散过程的精确测量，可用来观测现有技术无法观测的部分分子的扩散过程，进而测量得到气体分子的扩散系数。

2、本发明可以适用于用激光作用产生标记分子的多种场合，比如激光解离水产生OH技术，激光解离NO₂产生NO技术等，实现气体分子扩散速度的测量。

3、本发明在ICCD前增加了滤光片，只对荧光辐射的波长高透射，对其他波长吸收或反射，从而提高了测量信噪比。

附图说明

附图1  标记示踪法原理图；

附图2  初始时刻被标记分子的空间分布；

附图3  扩散t时间后被标记分子的空间分布；

附图4  OH扩散系数测量装置示意图；

附图5  OH空间分布随扩散时间的变化；

附图标记如下：

1―标记激光器，2―聚焦透镜，3―标记线状激光束，4―被测气体介质，5―片状显示激光束,6―光束整形器,7―显示激光器，8―延迟发生器，9―滤光片，10―ICCD相机，11―计算机，12―气体分子浓度分布曲线。

具体实施方式

本发明所述分子扩散系数测量原理如图1所示，一束用作分子标记的细光束激光沿X方向传播，照射到被测气体介质，被测气体介质中的某种分子在激光的作用下，生成一种新的分子，称为被标记分子，被标记分子在初始时刻仅存在于标记激光的传输路径上，如图2所示。随着时间的推移，被标记分子会逐渐向周围扩散，浓度发生变化，如图3所示。为了观测被标记分子的扩散过程，需要用到另外一束显示激光，用作显示的激光一般需要整形为二维片状光束，光片位于XY平面内，并与标记激光在探测区域相交。

被标记分子会在显示激光照射下发光，且发光强度与被标记分子的浓度成正比，利用相机探测被标记分子的发光信号，获得被标记分子的空间浓度分布图像，选择特定空间X值，通过计算其沿Y方向上的浓度分布，做出被标记分子沿Y方向浓度分布曲线，通过曲线拟合获得曲线的半高宽，再根据半高宽与分子扩散系数的相互关系计算出被标记分子在所测气体介质中的扩散系数。

测量过程中相机的曝光时间始终与探测激光同步，标记激光与探测激光之间的时间延迟即为被测分子的扩散时间。如果计算得到初始时刻分子浓度曲线半高宽d₀，经过t时间扩散后分子浓度曲线半高宽d_t。则由下式计算出被测分子的扩散系数D：

$D=\frac{{d_t}^2-d_0^2}{8\ln 2\·t}---\left(1\right)$

图4为本发明分子扩散系数测量装置示意图；装置主要包括标记激光器1、显示激光器7、ICCD相机10和延迟发生器8；标记激光器1的输出激光经整形为标记线状激光束3，显示激光器7的输出光束经整形为片状显示激光束5，标记线状激光束3处于片状显示激光束5的所在的平面内，片状显示激光束5处于待测气体介质4中，ICCD相机10正对片状显示激光束5成像；延迟发生器的三路延时输出端分别接标记激光器1、显示激光器7和ICCD相机10。

为了观测分子的扩散过程，首先需要用一束标记激光对被测分子进行标记，用一束显示激光显示出被标记分子的空间分布。被标记分子的原始分布和扩散后的分布由相机记录。扩散时间由标记激光与显示激光之间的时间间隔决定。显示激光与相机的曝光时间同步。标记激光、显示激光及相机之间的时序由时间延迟装置控制。

具体实施例

图4为基于OH解离原理的气体介质中分子扩散系数测量装置。标记激光由ArF准分子激光器产生，波长为193nm，单脉冲能量约30mJ，脉冲宽度20ns。标记激光用于解离被测气体介质中的H₂O，产生OH。显示激光由可调谐染料激光器系统产生，波长282nm，单脉冲能量约2mJ，脉冲宽度8ns。通过波长调谐，使显示激光能够被OH共振吸收并产生相应的荧光辐射。其中OH荧光辐射的中心波长为310nm，宽度约10nm。

用于探测OH空间分布的ICCD相机，曝光时间为20ns，在相机镜头前放置有滤光片，用于过滤掉各种背景干扰。所用的时间延迟调节装置为一台数字脉冲延迟发生器。图像的记录和数据处理由计算机完成。

具体测量步骤如下：

步骤1、标记激光经焦距为80cm的球面聚焦透镜聚焦于探测区域。在探测区域内，标记激光解离被测气体介质中的H₂O分子产生OH，在初始时刻，这些OH仅存在于标记激光的传播路径上；

步骤2、显示激光经光束整形器整形后形成宽度为40mm，厚度0.5mm的二维片状显示光束，通过波长调谐，使激光能够被OH共振吸收并产生相应的荧光辐射；

步骤3、调整标记激光和显示激光(5)的空间位置，使标记激光与显示激光相向传输，并相交于探测区域，标记激光位于显示激光片状光束平面内的中心区域；

步骤4、调节用于探测OH扩散过程的ICCD相机，使探测区域清晰成像；

步骤5、数字脉冲延迟发生器输出三路相互独立的脉冲方波信号，分别触发ArF激光器、染料激光器系统和ICCD相机；

步骤6、调节时间延迟，使ICCD相机曝光时间与标记激光、显示激光同步，用相机拍摄初始时刻OH荧光图像，计算初始时刻OH空间分布曲线的半高宽d₀；

步骤7、保持ICCD相机的曝光时间与显示激光同步，调节数字脉冲延迟发生器，将标记激光与显示激光之间的延时调节至预设时间t，用相机拍摄OH的荧光图像，计算经过时间t后OH空间分布曲线的半高宽d_t；

步骤8、将扩散时间t、d₀和d_t代入(1)式计算出分子扩散系数。

需要说明的是，本发明除了可以适用于激光解离水产生OH技术，外，还可用于激光解离NO₂产生NO技术。以上均在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种气体介质中分子扩散系数的测量装置，其特征在于：包括标记激光器(1)、显示激光器(7)、ICCD相机(10)和延迟发生器(8)； 

所述的标记激光器(1)的输出激光经整形为标记线状激光束(3)，所述显示激光器(7)的输出光束经整形为片状显示激光束(5)，所述的标记线状激光束(3)处于片状显示激光束(5)的所在的平面内，所述的片状显示激光束(5)处于待测气体介质(4)中，所述的ICCD相机(10)正对片状显示激光束(5)成像；所述的延迟发生器的三路延时输出端分别接标记激光器(1)、显示激光器(7)和ICCD相机(10)。 

2.根据权利要求1所述的气体介质中分子扩散系数的测量装置，其特征在于：所述的标记激光器(1)是可将H₂O解离为OH并进行标记的激光器或者是将NO₂解离为NO并进行标记的激光器。 

3.根据权利要求2所述的可气体介质中分子扩散系数的测量装置，其特征在于：所述的标记激光器(7)为输出波长193nm的ArF准分子激光器。 

4.根据权利要求1所述的气体介质中分子扩散系数的测量装置，其特征在于：所述的显示激光器(12)为能被羟基共振吸收并产生荧光的激光器。 

5.根据权利要求4所述的气体介质中分子扩散系数的测量装置，其特征在于：所述显示激光器(12)为输出波长282nm的可调谐染料激光器。 

6.根据权利要求5所述的气体介质中分子扩散系数的测量装置，其特征在于：所述的ICCD相机(15)窗口前安装有滤光片，所述的滤光片(14)对显示激光所激射的荧光波长高透射，对其他波长吸收或反射。 

7.根据权利要求6所述的气体介质中分子扩散系数的测量装置，其特征在于：所述滤光片6的中心波长为310nm，半高宽为20nm。 

8.利用权利要求1所述的气体介质中分子扩散系数的测量装置进行分子扩散系数测量的方法，其特征在于，包括以下步骤： 

[8.1]设置延迟发生器的延时时间，使ICCD相机曝光时间与标记激光器、显示激光器同步输出，用相机拍摄初始时刻标记激光被气体共振吸收产生的荧光图像，计算初始时刻被标记分子空间分布曲线的半高宽d₀； 

[8.2]调节延迟发生器参数，保持ICCD相机的曝光时间与显示激光同步，调节数字脉冲延迟发生器，将标记激光与显示激光之间的延时调节至预设时间t，用相机拍摄标记激光被气体共振吸收产生的的荧光图像，计算经过时间t后被标记分子空间分布曲线的半高宽d_t； 

[8.3]将扩散时间t、d₀和d_t代入 

计算出分子扩散系数D。