JPH0395465A - レーザーによる気体流速および温度測定方法 - Google Patents
レーザーによる気体流速および温度測定方法Info
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- JPH0395465A JPH0395465A JP1232082A JP23208289A JPH0395465A JP H0395465 A JPH0395465 A JP H0395465A JP 1232082 A JP1232082 A JP 1232082A JP 23208289 A JP23208289 A JP 23208289A JP H0395465 A JPH0395465 A JP H0395465A
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Landscapes
- Measuring Volume Flow (AREA)
- Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
(産業上の利用分野)
本発明は、プラズマ状態の気体の流速および温度をレー
ザー光を用いて個別または同時に測定するとともに、そ
れらの量のプラズマ内部における空間的分布を測定する
ことができる方法に関するものである。
ザー光を用いて個別または同時に測定するとともに、そ
れらの量のプラズマ内部における空間的分布を測定する
ことができる方法に関するものである。
(従来の技術)
気体の流速を求める方法は従米から数多くあるが、最近
上学的な分野でよく用いられるプラズマや中間流の圧力
領域など、気体の温度や圧力に関して厳しい条件1・゛
でも対応できる測定方法は知られていなかった。たとえ
ば、最もよく使われるものの一つであるピトー管を用い
る方法は、空間的に狭いところや高温の系には使うこと
ができないし、流れを乱すという欠点がある。また、レ
ーザー光を用いて流速を測定する方法として、最近、レ
ーザードップラー流速計もよく使われるようになったが
、これは固体微粒子を流体と一緒に流さなければならな
いので(実開昭6 2 − 1 1 1 6 G3号公
報)、中間流領域のような低い圧力では用いることがで
きないし、放電状態にある系に対しては、固体微粒子を
混入させるとプラズマが大きく乱されるという問題があ
る。
上学的な分野でよく用いられるプラズマや中間流の圧力
領域など、気体の温度や圧力に関して厳しい条件1・゛
でも対応できる測定方法は知られていなかった。たとえ
ば、最もよく使われるものの一つであるピトー管を用い
る方法は、空間的に狭いところや高温の系には使うこと
ができないし、流れを乱すという欠点がある。また、レ
ーザー光を用いて流速を測定する方法として、最近、レ
ーザードップラー流速計もよく使われるようになったが
、これは固体微粒子を流体と一緒に流さなければならな
いので(実開昭6 2 − 1 1 1 6 G3号公
報)、中間流領域のような低い圧力では用いることがで
きないし、放電状態にある系に対しては、固体微粒子を
混入させるとプラズマが大きく乱されるという問題があ
る。
一方、気体の温度を求める方法については、熱電対や抵
抗温度計のような探針を用いるものや熱放射を測定する
方法が広く用いられており、さらに分光学的方法として
分子が熱運動をすることによって生じるスペクトル線の
ドップラー幅を測定する方法あるいは分子が回転準位や
分子振動準位に熱分布することを利用してスペクトル線
の相対強度から温度を求める方法が知られている。しか
し、探針を用いる方法は流れを乱すという欠点があり、
またスペクトルを用いる方法ではプラズマの発光による
妨害や分子内エネルギー準位に作用している摂動からの
影響の補正を必要とする欠,Q、がある。さらに、これ
らの方法はプラズマ状態の気体の流速を同時に測定する
ことが不可能である。
抗温度計のような探針を用いるものや熱放射を測定する
方法が広く用いられており、さらに分光学的方法として
分子が熱運動をすることによって生じるスペクトル線の
ドップラー幅を測定する方法あるいは分子が回転準位や
分子振動準位に熱分布することを利用してスペクトル線
の相対強度から温度を求める方法が知られている。しか
し、探針を用いる方法は流れを乱すという欠点があり、
またスペクトルを用いる方法ではプラズマの発光による
妨害や分子内エネルギー準位に作用している摂動からの
影響の補正を必要とする欠,Q、がある。さらに、これ
らの方法はプラズマ状態の気体の流速を同時に測定する
ことが不可能である。
(発明が解決しようとする課題)
本発明はかかる状況に鑑み、気体の温度や圧力に関して
厳しい条件ドのプラズマに対応でき、またトレーサーと
して固体微粒子を混入して測定対象を乱すことなく、気
体の流速および温度を空間的に限定された部位に対して
同時に測定できる方法を提供する。
厳しい条件ドのプラズマに対応でき、またトレーサーと
して固体微粒子を混入して測定対象を乱すことなく、気
体の流速および温度を空間的に限定された部位に対して
同時に測定できる方法を提供する。
(課題を解決するための手段)
本発明は、プラズマ状態の気体に波長を掃引しながらレ
ーザー光を照射し、気体の原子または分子(以下、分子
と総称する)のレーザー励起発光の強さを測定して得ら
れる励起スペクトルのドップラーシフトから気体流速を
算出することを特徴とするレーザーによる只体流速測定
方法、および、励起スペクトルのスペクトル幅から気体
温度を算3 4一 出することを特徴とするレーザーによる気体温度測定方
法、ならびに、励起スペクトルのド・冫ブラーシ7トか
ら気体流速を、励起スペクトルのスペクトル幅から気体
温度を同時に算出することを特徴とするレーザーによる
気体流速および温度測定方法、さらにその際レーザー光
の照射部位および励起スペクトルの採取位置を移動させ
、プラズマ内部の気体の流速および温度の空間的分布を
測定することを特徴とするレーザーによる気体流速およ
び温度測定方法である。
ーザー光を照射し、気体の原子または分子(以下、分子
と総称する)のレーザー励起発光の強さを測定して得ら
れる励起スペクトルのドップラーシフトから気体流速を
算出することを特徴とするレーザーによる只体流速測定
方法、および、励起スペクトルのスペクトル幅から気体
温度を算3 4一 出することを特徴とするレーザーによる気体温度測定方
法、ならびに、励起スペクトルのド・冫ブラーシ7トか
ら気体流速を、励起スペクトルのスペクトル幅から気体
温度を同時に算出することを特徴とするレーザーによる
気体流速および温度測定方法、さらにその際レーザー光
の照射部位および励起スペクトルの採取位置を移動させ
、プラズマ内部の気体の流速および温度の空間的分布を
測定することを特徴とするレーザーによる気体流速およ
び温度測定方法である。
(作用)
本発明は固体微粒子の混入を避けるためプラズマ状態の
気体分子自体にレーザー光を照射し、その励起スペクト
ルを利用して気体の流速および温度を算出する。すなわ
ち、プラズマ状態の気体は、レーザー光の照射を受ける
と電子が励起する状態となっている。たとえば、Heガ
スを放電させてプラズマ状態にすると準安定状態あるい
は励起状態に励起されたHe原子が生威し、He’Po
状態が得られる。これに波長を掃引しながらレーザー光
を照射すると、特定の波長で3DI状態へ励起し、さら
に光を放射して安定状態へ遷移する。したがって、プラ
ズマ状態の気体に波侵を掃引しながらレーザー光を照射
し、気体の分子のレーザー励起発光の強さを測定すれば
励起スペクトルが得られる。
気体分子自体にレーザー光を照射し、その励起スペクト
ルを利用して気体の流速および温度を算出する。すなわ
ち、プラズマ状態の気体は、レーザー光の照射を受ける
と電子が励起する状態となっている。たとえば、Heガ
スを放電させてプラズマ状態にすると準安定状態あるい
は励起状態に励起されたHe原子が生威し、He’Po
状態が得られる。これに波長を掃引しながらレーザー光
を照射すると、特定の波長で3DI状態へ励起し、さら
に光を放射して安定状態へ遷移する。したがって、プラ
ズマ状態の気体に波侵を掃引しながらレーザー光を照射
し、気体の分子のレーザー励起発光の強さを測定すれば
励起スペクトルが得られる。
一方、A体分子による光の吸収および発光には分子の熱
運動によるドップラー効果すなわち運動の方向と速さに
よって分子が吸収または放出する光波の振動数が異なる
効果によってスペクトルに広がりを生じることが知られ
ている。もし、分子がこのランダムな熱運動に加えて一
方向へ分子の集団として運動しているならば、その巨視
的な運動によるドップラー効果によりスペクトル線のピ
ーク位置がずれるはずである。そこで、本発明では励起
スペクトルのドップラーシフトから気体の流速を算出す
るのである。また、スペクトル線の線幅は分子の熱運動
の統計分布を反映するので、その幅を測定して流速と同
時に温度を算出することができる。
運動によるドップラー効果すなわち運動の方向と速さに
よって分子が吸収または放出する光波の振動数が異なる
効果によってスペクトルに広がりを生じることが知られ
ている。もし、分子がこのランダムな熱運動に加えて一
方向へ分子の集団として運動しているならば、その巨視
的な運動によるドップラー効果によりスペクトル線のピ
ーク位置がずれるはずである。そこで、本発明では励起
スペクトルのドップラーシフトから気体の流速を算出す
るのである。また、スペクトル線の線幅は分子の熱運動
の統計分布を反映するので、その幅を測定して流速と同
時に温度を算出することができる。
さらに、レンズ系を用いてレーザービームを直径0 .
1 m m以ト゛まで集光し、かつ励起スペクトルの
サンプリング部位のサイズを集光レンズを用いて0.5
Ill『o以ト゛に極限することによって計測部位が限
定されるので、レーザー光の光路と集光レンズの位置を
移動させることによってプラズマ内の流速および温度の
空間的分布を測定、マッピングすることができる。
1 m m以ト゛まで集光し、かつ励起スペクトルの
サンプリング部位のサイズを集光レンズを用いて0.5
Ill『o以ト゛に極限することによって計測部位が限
定されるので、レーザー光の光路と集光レンズの位置を
移動させることによってプラズマ内の流速および温度の
空間的分布を測定、マッピングすることができる。
(実施例)
実施例では、従米希ガスや分子ガスの低圧放電のレーザ
ー分光とそのブフズマ診断への応用実験に用いられてい
るリング色素レーザー (線幅約0, OO067c+
n−’ ) を使用すれば流速が1 0 O n+
/ s e c以上の7ロー速度なら十分測定が可能で
あることに着目して実験を行い、それを立証した。すな
わち、キャピラリー放電管にHe,fスを流して放電さ
せ、放電中に生或するHe’ P o状態から”Dl状
態への光学遷移に相当する波数領域をリング色素レーザ
ーの波数を掃引し、レーザー光でこの遷移を励起して発
光する光の強度をモニターすることで3Po→’DI吸
収のスペクトル (I起スペクトル)を観測し、そのピ
ーク波数のシフトを測定した。
ー分光とそのブフズマ診断への応用実験に用いられてい
るリング色素レーザー (線幅約0, OO067c+
n−’ ) を使用すれば流速が1 0 O n+
/ s e c以上の7ロー速度なら十分測定が可能で
あることに着目して実験を行い、それを立証した。すな
わち、キャピラリー放電管にHe,fスを流して放電さ
せ、放電中に生或するHe’ P o状態から”Dl状
態への光学遷移に相当する波数領域をリング色素レーザ
ーの波数を掃引し、レーザー光でこの遷移を励起して発
光する光の強度をモニターすることで3Po→’DI吸
収のスペクトル (I起スペクトル)を観測し、そのピ
ーク波数のシフトを測定した。
第2図に放電管を接続した真空系を示す。キャビラリー
放電管1は耐熱ガラス製で、キャビラリ一部分の内径は
1+o+n,長さは2 8 +n mである。電極は真
ちゅう製の中空円筒型で、内径6 . 3 +n m
、外径11.7m 1n ,長さ18 tn +flの
ものを用いた。放電管1はガス供給系、排気系に接続し
、また上流側がカソードになるように高圧直流定電流電
源2に接続した。排気は油拡散ボンプ3と油回転ポンプ
4を直列につなげて行った。ヘリウムガスの流量はマス
プローメーター5により制御した。
放電管1は耐熱ガラス製で、キャビラリ一部分の内径は
1+o+n,長さは2 8 +n mである。電極は真
ちゅう製の中空円筒型で、内径6 . 3 +n m
、外径11.7m 1n ,長さ18 tn +flの
ものを用いた。放電管1はガス供給系、排気系に接続し
、また上流側がカソードになるように高圧直流定電流電
源2に接続した。排気は油拡散ボンプ3と油回転ポンプ
4を直列につなげて行った。ヘリウムガスの流量はマス
プローメーター5により制御した。
キャビフリー放電中には準安定状態あるいは励起状態に
励起されたH e原子が生或するので、本発明はこれら
のHe原子がレーザー光を吸収して生じる発光をレーザ
ー光の波長を掃引しながらモニターすることによって吸
収スペクトルを得る。
励起されたH e原子が生或するので、本発明はこれら
のHe原子がレーザー光を吸収して生じる発光をレーザ
ー光の波長を掃引しながらモニターすることによって吸
収スペクトルを得る。
弟1図に示すように、励起用光源にはアルゴンイオンレ
ーザー9で励起したリング色素レーザー10を用いた。
ーザー9で励起したリング色素レーザー10を用いた。
リング色素レーザー10の出力ビー7一
一8
ムは、メカニカルチョッパ−11により約1.3kHz
で断続安調をした後Heガスの流れに平行に放電管1内
に入射させた。キャビラリ一部分からのレーザー励起発
光はレンズ121こよってアイリス13上に集光した。
で断続安調をした後Heガスの流れに平行に放電管1内
に入射させた。キャビラリ一部分からのレーザー励起発
光はレンズ121こよってアイリス13上に集光した。
また、レーザー光の迷光を除去するために色ガラスフィ
ルター14をアイリス13の直前に配置した。キャビラ
リーからの発光は光検出器15を経てロックインアンプ
16によって位相敏感検波し、レコーダー18で記録し
た。
ルター14をアイリス13の直前に配置した。キャビラ
リーからの発光は光検出器15を経てロックインアンプ
16によって位相敏感検波し、レコーダー18で記録し
た。
このとき、レーザー光の絶対周波数を知るためによう素
のレーザー励起スペクトルを、また波数マーカーとして
フリンジ間隔が500MHzの7アブリーペローエタロ
ンの干渉フリンジをスペクトルと同時に記録した。なお
、キャビラリー放電管1およびレーザー励起発光検出系
12、13、14、15をそれぞれマイクロメータ駆動
式移動台に設置してそれぞれの位置を移動させることに
よってレーザー光の照射光路の部位およびレーザー励起
発光のサンプリング位置を移動させた。
のレーザー励起スペクトルを、また波数マーカーとして
フリンジ間隔が500MHzの7アブリーペローエタロ
ンの干渉フリンジをスペクトルと同時に記録した。なお
、キャビラリー放電管1およびレーザー励起発光検出系
12、13、14、15をそれぞれマイクロメータ駆動
式移動台に設置してそれぞれの位置を移動させることに
よってレーザー光の照射光路の部位およびレーザー励起
発光のサンプリング位置を移動させた。
得られた励起スペクトル線を第3図に示す。本米のスペ
クトル線からのずれから、キャビラリー両端の圧力差が
約2 0 Torrの条件では平均流速が約300m/
secであることがわかった。また、放電電流が10m
Aの下での気体温度は、キャビラリーの上流端で780
K,上流より3.5−7.5+nmの間で1000K1
中央部で1.500Kであることがわかった。
クトル線からのずれから、キャビラリー両端の圧力差が
約2 0 Torrの条件では平均流速が約300m/
secであることがわかった。また、放電電流が10m
Aの下での気体温度は、キャビラリーの上流端で780
K,上流より3.5−7.5+nmの間で1000K1
中央部で1.500Kであることがわかった。
(発明の効果)
以上説明した通り、本発明の方法はごく一般的な7ロー
放電の流速領域の流速および温度の同時かつ二次元測定
に適したものであり、測定法が非接触でプラズマを乱す
ほどのレーザーパワーを必要としないので、従米の方法
の共通の欠点であった流れを乱すという問題点を解決す
ることができるばかりではなく、同一の測定から流速と
温度を同時に求めることができ、加えて、測定部位を移
動させることによって三次元的な情報を得ることができ
る。
放電の流速領域の流速および温度の同時かつ二次元測定
に適したものであり、測定法が非接触でプラズマを乱す
ほどのレーザーパワーを必要としないので、従米の方法
の共通の欠点であった流れを乱すという問題点を解決す
ることができるばかりではなく、同一の測定から流速と
温度を同時に求めることができ、加えて、測定部位を移
動させることによって三次元的な情報を得ることができ
る。
第1図は本発明方法を実施するため1こ使用する装置の
例を示す図、 第2図は真空系の例を示す図、 弟3図は励起スペクトルを示す図である。 1・・・キャビラリー放電管、2・・・高圧直流定電流
電源、3・・・油拡散ポンプ、4・・・油回転ポンプ、
5・・・マス7ローメーター 6a,6b・・・ビラ二
一圧力計、7・・・ヘリウムガスボンベ、8・・・オッ
シロスコープ、9・・・アルゴンイオンレーザー 10
・・・リング色素レーザー 11・・・メカニカルチョ
ッパー12・・・レンズ、13・・・アイリス、14・
・・色ガラスフィルター 15・・・光検出器、16・
・・ロックインアンプ、17・・・プリアンプ、18・
・・レコーダー19・・・よう素セル、20・・・光電
子増倍管、21・・・スキャニングコントローラー
例を示す図、 第2図は真空系の例を示す図、 弟3図は励起スペクトルを示す図である。 1・・・キャビラリー放電管、2・・・高圧直流定電流
電源、3・・・油拡散ポンプ、4・・・油回転ポンプ、
5・・・マス7ローメーター 6a,6b・・・ビラ二
一圧力計、7・・・ヘリウムガスボンベ、8・・・オッ
シロスコープ、9・・・アルゴンイオンレーザー 10
・・・リング色素レーザー 11・・・メカニカルチョ
ッパー12・・・レンズ、13・・・アイリス、14・
・・色ガラスフィルター 15・・・光検出器、16・
・・ロックインアンプ、17・・・プリアンプ、18・
・・レコーダー19・・・よう素セル、20・・・光電
子増倍管、21・・・スキャニングコントローラー
Claims (4)
- (1)プラズマ状態の気体に波長を掃引しながらレーザ
ー光を照射し、気体の原子または分子のレーザー励起発
光の強さを測定して得られる励起スペクトルのドップラ
ーシフトから気体流速を算出することを特徴とするレー
ザーによる気体流速測定方法。 - (2)プラズマ状態の気体に波長を掃引しながらレーザ
ー光を照射し、気体の原子または分子のレーザー励起発
光の強さを測定して得られる励起スペクトルのスペクト
ル幅から気体温度を算出することを特徴とするレーザー
による気体温度測定方法。 - (3)プラズマ状態の気体に波長を掃引しながらレーザ
ー光を照射し、気体の原子または分子のレーザー励起発
光の強さを測定して得られる励起スペクトルのドップラ
ーシフトから気体流速を、励起スペクトルのスペクトル
幅から気体温度を同時に算出することを特徴とするレー
ザーによる気体流速および温度測定方法。 - (4)レーザー光の照射部位および励起スペクトルの採
取位置を移動させ、プラズマ内部の気体の流速および温
度の空間的分布を測定することを特徴とする請求項3記
載のレーザーによる気体流速および温度測定方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP1232082A JPH0640102B2 (ja) | 1989-09-07 | 1989-09-07 | レーザーによる気体流速および温度測定方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP1232082A JPH0640102B2 (ja) | 1989-09-07 | 1989-09-07 | レーザーによる気体流速および温度測定方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0395465A true JPH0395465A (ja) | 1991-04-19 |
JPH0640102B2 JPH0640102B2 (ja) | 1994-05-25 |
Family
ID=16933713
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP1232082A Expired - Lifetime JPH0640102B2 (ja) | 1989-09-07 | 1989-09-07 | レーザーによる気体流速および温度測定方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0640102B2 (ja) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN106018878A (zh) * | 2016-05-10 | 2016-10-12 | 中国人民解放军国防科学技术大学 | 等离子体速度测量方法及系统 |
CN114518230A (zh) * | 2022-03-01 | 2022-05-20 | 上海交通大学 | 一种发动机羽流场速度温度同步测量系统 |
CN117042273A (zh) * | 2023-07-18 | 2023-11-10 | 中国人民解放军国防科技大学 | 基于超分辨光谱仪的二维等离子体速度测量系统及方法 |
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1989
- 1989-09-07 JP JP1232082A patent/JPH0640102B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN106018878A (zh) * | 2016-05-10 | 2016-10-12 | 中国人民解放军国防科学技术大学 | 等离子体速度测量方法及系统 |
CN114518230A (zh) * | 2022-03-01 | 2022-05-20 | 上海交通大学 | 一种发动机羽流场速度温度同步测量系统 |
CN114518230B (zh) * | 2022-03-01 | 2022-10-28 | 上海交通大学 | 一种发动机羽流场速度温度同步测量系统 |
CN117042273A (zh) * | 2023-07-18 | 2023-11-10 | 中国人民解放军国防科技大学 | 基于超分辨光谱仪的二维等离子体速度测量系统及方法 |
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Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH0640102B2 (ja) | 1994-05-25 |
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